第一章宇宙的問題有點像這樣一個古老的問題：是先有雞呢，還是先有蛋換句話說，就是何物創(chuàng)生宇宙，又是何物創(chuàng)生該物呢宇宙演化的問題是問宇宙是恒定不變的還是永恒變化宇宙一詞，泛指天地萬物，亦即在浩瀚的空間中運動和變化著的全部物質(zhì)世界的總稱迄今人們對宇宙的認識，已經(jīng)從地球到系，再由系擴展到系、河外星系、星系團乃至觀測所及的宇宙深處中文“宇”字指空間、“宙”字指時間《齊物論》中說：上下曰宇，古往今來曰宙然而它們又不絕對含有包容和流轉(zhuǎn)的意義故宇宙可指時空中所含變化的萬有又“宇之表無極，窮”（《靈憲》），由此知宇宙又含有深邃奧妙、無窮無盡之意經(jīng)常與宇宙混用的還有世界、天地天地自不必解釋世三十年也；界，境也，限也我們平常說的世界多指地球小范圍而言，意義要狹窄得多西方的“宇宙”基本上是個空間概念，有兩個重要詞表達，一是ｃｍｓ來自希臘文，本意是秩序，意指作為秩序體系的整個宇宙；二是ｕｎｉｖｒｓｅ，來自拉丁文，本意是萬有，意指包羅萬象的宇宙宇宙是豐富的其意義也是豐富的我們應(yīng)當(dāng)盡量從多方位去認識宇宙去全面理解宇宙 宇宙概極目長空，日天，斗轉(zhuǎn)星移，河漢自古以來人們觀天象、辨星斗，成果輝煌哥白尼的“日心說”使自然科學(xué)從中解放出來，創(chuàng)立了天體力學(xué)，而量子力學(xué)、相對論、高能物理學(xué)奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)大口徑天文望遠鏡的落成，光子計數(shù)照相機和電荷耦合探測器的使用，天文光譜測量技術(shù)的發(fā)展，空間飛行器的天文探測等，使人類對宇宙的認識逐漸深化和日臻完善這一節(jié)我們來介紹一下現(xiàn)代天文學(xué)所認識的宇宙概觀一、宇宙是由數(shù)十億個類似系的龐大天體系統(tǒng)所組成我們先從地球談起我們居住的地球是系的一員，距平均距離為１．４９６×１０８ｋｍ是系的中心天體系是由、行星及其、彗星、流星體和行星際物質(zhì)構(gòu)成的天體系統(tǒng)離由近及八大行星以外的冥王星①距平均５．９×１０９ｋｍ，光約走５．５ｈ在火星和木星之間運行著①以前認為系有九大行星，冥王星為第九大行星２００６年８月國際天文合會通過行星的新定 就是其中的幾個只是一顆極普通的恒星，它屬于一個龐大的恒星系統(tǒng)系霧一樣明亮的光帶（俗稱天河）就是系系中有２０００億顆以上的恒星形狀呈扁盤形，像一個旋轉(zhuǎn)的鐵餅扁盤的最大厚度約１×１０ｌ．ｙ．（ｌ．ｙ．是光年的符號，１ｌ．ｙ．＝９．４６０７３０×１０１５ｍ，即光在真空中１年內(nèi)所的距離），系發(fā)光部分距離約７×１０ｌ．ｙ．，銀盤還有一個由恒星組成的球狀暈稱為銀暈，直徑約１×１０５ｌ．ｙ．，銀暈中恒星密度比銀盤中的小得多垂直銀道面看，系呈旋渦狀它由兩個旋臂組成，繞著它的中心（銀心）旋轉(zhuǎn)處在銀軸３／５處，以２５０ｋｍ／ｓ速度運動，約２億年繞銀心旋轉(zhuǎn)一周除恒星外中還不少氣體塵埃成的塊，稱為有的分子，稱為星分子云， 現(xiàn)已觀測到系之外還有數(shù)十億的類似于系的龐大天體系統(tǒng)，稱為河外星系星系大約含１０１１顆恒星，質(zhì)量約為１０１１ｍ（ｍ表示的質(zhì)量）肉眼可見的最遠天體仙女座星系 （６等星）就是離系最近的河外星系，離我們２．２５×１０６ｌ．ｙ．（圖１－１－１－１）這一距離是哈勃、透鏡形狀、旋渦形狀、棒旋形狀和不規(guī)則形狀五個類型這與星系演化時間長短及演化條件相關(guān)星系在宇宙中的分布是不均勻的，有的成雙、有的成群、成團大的星系團甚至包含成百上千個星系，星系團質(zhì)圖１１１１距我們系大約２００萬光年的仙女座星?量在１０１ｍ量 有些星系團又成尺度更大的超星系團，已觀測到５×１０８ｌ．ｙ．大的這?這里所說的宇宙概觀不是古已有之它是天文學(xué)數(shù)千年歷史發(fā)展的總結(jié)，在現(xiàn)代，有什么樣的物理理論就產(chǎn)生什么樣的宇宙學(xué)以力學(xué)為基礎(chǔ)的宇宙學(xué)認為宇宙是一架機器經(jīng)過第一推動后按力學(xué)規(guī)律運行這是唯物機械論的宇宙學(xué)，現(xiàn)在證明這種框架是站不住腳的而以眾多觀測事實為依據(jù)建立在廣義相對論、量子論等基礎(chǔ)物理理論之上的宇宙學(xué)，試圖對作為整體的 做出系統(tǒng)說明，這無疑是科學(xué)上的一大進步１９１６年愛因斯坦提出廣義相對論１９１７年他把廣義相對論用于宇宙學(xué)研究，得到了一個靜態(tài)的有限的宇宙模型，稱為愛因斯坦宇宙，是個空間閉合并具有均勻物質(zhì)分布的宇宙該模型的提出把宇宙學(xué)推進到現(xiàn)代化的高度，是現(xiàn)代宇宙學(xué)的開端愛因斯坦宇宙模型由于它不１９２２年數(shù)學(xué)家得到愛因斯坦場方程的一組動態(tài)解，包括兩類膨脹解和一類振蕩解，從而建立了新的宇宙模型對于膨脹解，宇宙將一直膨脹下去；對于振蕩解，宇宙呈現(xiàn)膨脹－收縮的振蕩１９２７年比利時人勒梅特在解的基礎(chǔ)上把已觀測到的河外星系光譜紅移解釋為宇宙膨脹的結(jié)果，提出了膨脹宇宙的模型紅移被解釋成非靜態(tài)宇宙有膨脹效應(yīng)，哈勃定律就成為非常有利于－勒梅特宇宙模型的，使膨脹宇宙說盛一時從膨脹宇宙模型出發(fā)，根據(jù)當(dāng)時測量的哈勃常量推算出的宇宙太小，為解決此問題１９４８年英國的拜迪、霍伊爾和德又提出穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型 它基于完全宇宙學(xué)原理，為宇宙物質(zhì)密度始終不變 但由于宇宙的膨脹而導(dǎo)致物質(zhì)密度減小，這就必須在引力場方程中引進物質(zhì)創(chuàng)生項 該理論雖然沒有奇點（空間、時間曲率為無窮的點），但因引入新物質(zhì)的不斷創(chuàng)生，不能對３Ｋ微波背景輻射做出令人信服的解釋，而且射電源和星系的分布也遠非穩(wěn)恒不變，所以穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型已普遍地遭到懷疑和冷落２０世紀４０年代末５０年代初，等人對極高溫度極高密度的早期宇宙研究認為，宇宙起始于高溫高密度“原始火球”的，后的宇宙隨其膨脹溫度密度逐漸降低而演化至今根據(jù)地球上已知的理論可推得各種粒子和物質(zhì)相應(yīng)的生成時間，推得星系與恒星的形成與演化該理論受到微波背景輻射、宇宙中氫氦元素比例、氘鋰豐度等觀測資料的檢驗，成為被普遍看好的主流模型熱宇宙模型，俗稱“大宇宙”模型，亦稱標準模型為解決“大宇宙”模型不能解釋的“視界”、“平坦性”等問題，２０世紀８０年代，古斯等人將理論物理大統(tǒng)一理論引入宇宙學(xué)，對極早期宇宙提出概念，認為在大后的一個非常短時期內(nèi)宇宙進入不穩(wěn)定不對稱的真空（假真空），在假真空能量推動下宇宙經(jīng)歷了一個異乎尋常的階段，半徑增大了１０５０倍！經(jīng)過真空相變后假真空能量釋放，導(dǎo)致驚人數(shù)量粒子的產(chǎn)生，區(qū)域被重新加熱，此后將接續(xù)大模型的過程經(jīng)過不斷修正和充實，的宇宙模型已能較好地處理一系列極早期宇宙難題 宇宙有沒有和終結(jié)，它是永恒的還是演化的？這是宇宙學(xué)所要回答的一個根本問題各這個神話故事說的是天地本來像個雞蛋，生于其中 后來天地開辟了，天每日高一丈，地每日厚一丈，每日長一丈 １８０００年以后，天變得極高，地變得極厚，也變得極長了怕天地合攏，就頂天立地拼命撐著，最后精疲力竭地死了 死后，他的全身化成了萬物：氣為風(fēng)云，聲為雷霆，左眼為，右眼為月亮，血液為江河，肌肉為田土世界上其他文明古國，也各有關(guān)于宇宙和結(jié)構(gòu)的種種例如，古人認為大地由四頭大象馱著，大象站在一只巨龜?shù)谋成?，巨龜則浮在水中，等等古代各民族都把自己生活的地方當(dāng)作天地的，并各自獨立地產(chǎn)生了關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的地心學(xué)說２０世紀７０年代以來，粒子物理學(xué)家與宇宙學(xué)家提出了宇宙大 模型，聯(lián)手勾畫的宇宙宇宙始于約１００億年前的大起初不僅沒有任何天體，也沒有粒子和輻射，只有一種單純的真空狀態(tài)以指數(shù)函數(shù)形式急劇膨脹著 自然界中已知的四種相互作用，即萬有引力相互作用、強相互作用、電磁相互作用和弱相互作用（雖然現(xiàn)在弱相互作用與電磁相互作用已經(jīng)統(tǒng)一了，我們?nèi)苑Q四種相互作用），那時是不可分的 隨著宇宙的膨脹和降溫，真空發(fā)生一系列相變（可由水變?yōu)楸蜃優(yōu)樗魵膺@種相變的類比去理解難于理解的真空相變）大后１０－ｓ，溫度為１０３２Ｋ，發(fā)生超統(tǒng)一相變，引力相互作用首先分化出來，但弱、電磁、強三種相互作用仍不可分此時粒子產(chǎn)生，但夸克和輕子可以互相轉(zhuǎn)變 至１０－３６ｓ，溫度為１０２８Ｋ，大統(tǒng)一相變發(fā)生，強相互作用與弱、電磁相互作用分離，物質(zhì)與反物質(zhì)間的不對稱（即質(zhì)子電子等類物質(zhì)多于反質(zhì)子正電子之類反物質(zhì)）的現(xiàn)象開始出現(xiàn) 至１０－１０ｓ，溫度為１０１５Ｋ，弱電相變發(fā)生，弱相互作用與電磁相互作用分離 經(jīng)過這幾種相變完成了四種相互作用逐一分化的歷史 大后的１ｓ，溫度降至１０１０Ｋ，進入輻射為主的階段 １０ｓ時，溫度降為５×１０９Ｋ，幾乎所有能量均以輻射（光子）形式出現(xiàn)，輻射密度大于物質(zhì)密度 ３ｍｉｎ時，溫度為１０９Ｋ，宇宙膨脹為約一光年的實體，是原子核合成的時期，有近１／３的物質(zhì)合成Ｈｅ，就是說此時構(gòu)造各種物質(zhì)元素的材料已完畢 約經(jīng)過７１０５ａ，宇宙溫度降為３０００Ｋ，物質(zhì)復(fù)合成原子，物質(zhì)密度大于輻射密度，物質(zhì)變得透明，物質(zhì)復(fù)合的結(jié)果使重子數(shù)與光子數(shù)保持恒定 至１０８ａ，輻射溫度為１００Ｋ，星際物質(zhì)溫度１Ｋ，星系形成至１０９ａ，輻射溫度１２Ｋ，出現(xiàn)類星體……至目前，宇宙為１０１０ａ，輻射溫度降為２．７Ｋ，星際物質(zhì)溫度為１０－５Ｋ，我們觀測到的宇宙已大到１００多億光年，現(xiàn)在宇宙仍在繼續(xù)膨脹著 宇宙大炸模型已成為舉世公認的一種“標準宇宙模型”它的最大是承認宇宙有開端，時間有起點 從數(shù)學(xué)上講，發(fā)生一瞬間，宇宙的密度和溫度為無限大，是一個奇點，這以廣義相對論引力場方程為基礎(chǔ)的模型都會碰到的難題研究宇宙的總體結(jié)構(gòu)時，通常采用這樣一個假設(shè)：在宇宙學(xué)尺度上，任何時候宇宙空間都是均勻的、各向同性的應(yīng)用這個假設(shè)就可以從已觀測到的“我們的宇宙”這部分去推測整個宇宙的特性，數(shù)學(xué)上處理也很簡便在宇宙學(xué)中，星系被看成是宇宙物質(zhì)的基本單元 星系是由數(shù)以萬億計的恒星構(gòu)成 星在宇宙空間的分布并不完全均勻 由于引力作用，星系之間有弱的結(jié)團性，使得部分星系組成相對獨立的通常把幾十個星系結(jié)成的叫星系群，把幾百個星系組成的叫星系團星系群和星系團又進一步結(jié)成超星系團 如果我們把空間的單位體積取得比超星系團還大，大到在宇宙學(xué)尺度上，實際觀測表明，在這種情況下，星系分布的確是接近均勻的和各向同性的在宇宙學(xué)尺度上，可以認為宇宙是由充滿空間的以星系為基元的均勻的和各向同性的介質(zhì) 今，各方面的天文觀測表明，它是真實宇宙的很好寫照為了理解宇宙的膨脹，下面先分析哈勃定律的表達形式，再分析它的物理意義１９２９年，著名天文學(xué)家哈勃（Ｅ．Ｈｕｂｂｌｅ）發(fā)現(xiàn)，星系離得越遠接收到它的光的頻率比它發(fā)出光的頻率就降得越多，寫成為ｚ＝（Ｈ／ｃ）ｄ，其中ｚ為紅移量，ｃ為光速，Ｈ為哈勃常量，ｄ為星系距離，這是哈勃定律的第一種表示形式一個振動的物體離開振動的接收者而去，離去的速度ｖ越快則接收到的頻率比物體振動的頻率越低，這現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)將它用于發(fā)光的星體，有ｚ＝ｖ／ｃ，此式與哈勃定律的第一種表達式結(jié)合，就得到哈勃定律的第二種表示式：ｖ＝Ｈｄ該式物理意義特別直觀，星系退行速度與星系距離成正比若離地球一倍距離的星系以一倍的速度退行，則離地球二倍距離的星系則以二倍的速度退行由此推之，就得到各星系彼此遠離、且遠離得越來越快這一宇宙膨脹的結(jié)論由此不難理解哈勃定律是宇宙膨脹的當(dāng)然，將哈勃定律列為本世紀最重要的天文發(fā)現(xiàn)之一也是自然的了需要的是，哈勃關(guān)系只對遙遠星系成立，對近的星系和更遙遠星系都出現(xiàn)偏離對于哈勃常量Ｈ，當(dāng)時定出的大小為ｋｍ·ｓ·Ｍｐｃ－１世紀年代以后的天文學(xué)家Ｈ＝５０～１００ｓ－ｃ這里的Ｍｐｃ是天文距離單位，稱為兆秒差距，粗略地講，１秒差距（１ｐｃ）約等于３．２６ｌ．ｙ．此的物理意義是指距離為１Ｍｐｃ的星系的退行速度為５０～１００ｋｍ／ｓ這一經(jīng)驗規(guī)律證實了宇宙以保１９９４年１０月，（ＷＬ．Ｆｒｅｅｄｍａｎ）、肯尼克特（Ｒ．Ｋｅｎｎｉｃｕｔｔ）和茅德（Ｊ．Ｍｏｕｌｄ）等用空間望遠鏡測定了室女座星系團中的旋渦星系Ｍ１００內(nèi)的一些造父變星的距離為（１７．１±１．８）Ｍｐｃ，Ｈ＝（８０±１．７）ｓ－ｃ把宇宙中的星系想象成面包中的葡萄干，有助于理解它們隨宇宙膨脹而彼此遠離的圖景這很像一只嵌有許多葡萄干的巨大面包，當(dāng)它膨脹時，其中的葡萄干都會看見其他所有的葡萄干都在離開自己，相距越遠的葡萄干，彼此分離的相對速度也越大 五、２０世紀天文學(xué)的另一重大發(fā)現(xiàn)是微波背景輻射１９６４年貝爾的（Ａ．Ａ．Ｐｅｎｚｉａｓ）和（Ｒ．Ｗ．ｉｎ用一架精密的射電望遠鏡在７．３５ｃｍ波長處探測到一種來自宇宙深處的強度與方向無關(guān)的宇宙背景輻射信號三十多年來全世界天文界對這種輻射的譜分布和方向性進行了大規(guī)模１９８９年宇航局專門發(fā)射了宇宙背景輻射探測，第一批測量數(shù)據(jù)表明，從０．５～５ｍｍ波段上該輻射的譜分布與溫度為（２．７３５±０．０６）Ｋ理想黑體的譜分布完全相合，在扣除運動效應(yīng)后天空不同方向的差別小于十萬分之一這就毋庸置疑地證明了宇宙微波背景輻射的黑體性和普適性黑體輻射是光與物質(zhì)平衡的產(chǎn)物，由此推斷宇宙演化中存在著物質(zhì)與輻射相平衡的階段所謂平衡是指給定體積中一定能量范圍被帶電粒子吸收的光子數(shù)與發(fā)射出的光子數(shù)相等按大宇宙模型早期宇宙中這種平衡是可能的由于高溫電子與質(zhì)子是自由的，它們都不束縛在原子里，使得它們能有效地散射光子大后的７×１０５ａ，溫度降為３０００Ｋ，電子質(zhì)子復(fù)合成原子從而光子不再被有效散射，宇宙變得“透明”，術(shù)語稱物質(zhì)與輻射變成退耦的退耦以后的輻射隨宇宙的膨脹不斷降溫變冷直至目前的２．７Ｋ，被觀測到的正是經(jīng)過紅移了的背景輻射微波背景輻射被作為大宇宙的重要遺跡被確認，它作為大理論的兩個最重要實驗之一而被載入天文學(xué)發(fā)展的史冊斯和兩人因此獲得１９７８年物理學(xué)獎既然觀測到了宇宙的膨脹，那么宇宙是否膨脹下去呢？換句話說，宇宙是有限的還是無限的呢？模型認為這取決于宇宙物質(zhì)的平均密度ρ０與臨界密度ρｃ的比值 若ρ０＜ρｃ，對應(yīng)一個雙曲線型開放宇宙 若ρ０＝ρｃ，對應(yīng)一個得式平直開放宇宙 這兩種情況宇宙將膨脹下去 而ρ０＞ρｃ時對應(yīng)一個有限的閉合宇宙，宇宙將呈現(xiàn)膨脹－收縮的振蕩由此可見，宇宙物質(zhì)平均密度的測定可以決定宇宙究竟是有限的還是無限的！大宇宙仍然是式的，根據(jù)它的模式，ρ≈１０－２９ｇ／ｃｍ３，而ρ的觀測可通過宇宙膨脹的因子ｑ ０觀測推斷 ｑ０＜１／２對應(yīng)宇宙的閉合，ｑ０≥１／２對應(yīng)宇宙的開放 按目前宇宙膨脹速度的變化，若宇宙是開放的，其估算為２００億年 若宇宙是閉合的，其估算為１３０億年 目前觀測到的ρ≈２×１０－３０ｇ／ｃｍ３，但不能下結(jié)論說宇宙是開放的要膨脹下去因為這只是可觀測到密度 一般估計宇宙可觀測質(zhì)量僅為宇宙質(zhì)量的１％～１０％而近年來關(guān)于中微子存在質(zhì)量的實驗報告不斷出現(xiàn) 若考慮中微子質(zhì)量為１０ｅＶ，那么宇宙的質(zhì)量將大為增加，ρ０很可能超過ρｃ若將尚未觀測到的物質(zhì)稱為隱匿物質(zhì)或暗物質(zhì)，則它的推測實際上還遠沒有解決，所以宇宙是否無限膨脹下去是當(dāng)前科學(xué)無法判斷的一個難題０七、宇宙的如果宇宙有開端，那么它就有逆時間順序追溯宇宙演化的歷史，第一個推論是越早宇宙密度越高，直至無窮讓我們把密度為無窮的時刻作為時間的零點，即定義為ｔ＝０，那么今天的宇宙必有一個有限大的宇宙中一切天體的都不應(yīng)超過宇宙所確定的上限出解出的結(jié)果表明宇宙的可用哈勃常量Ｈ與因子ｑ０表示，宇宙 約為Ｈ的倒數(shù)由新近對室女座１０顆脈沖星觀測得到的哈勃常量確定的宇宙在１２０億～１６０億年之間利用放射性同位素含量測定年代的方法，人們測量了地球上最古老的巖石，測量了阿號宇航員從月亮上帶回來的土壤、巖石樣品，測量了來自星際空間的隕石，發(fā)現(xiàn)它們的均不超過４７億年恒星的可從它們的發(fā)光速率與能源儲備來估計，由此獲悉最老恒星的已超過１００億年利用球狀星團在上分布測得的老年星團為１２０億～１８０億年，迪估計為１３０億年總之，用不同方法對宇宙的估算值與標準模型給出的很接近，上限都為１０１０年數(shù)量級現(xiàn)在普遍認為，估計宇宙在１００億～１５０億年之間２０世紀５０年代末，把地球和作為推斷宇宙的古老天體，這樣造成了距離定標的錯誤， 由它的宇宙僅為２０億年 齡為４５億年宇宙短于地球，這顯然不合理這是當(dāng)時許多人不接受膨脹宇宙理論的一個重要原因 當(dāng)Ｈ獲得現(xiàn)在的值后，這疑點消除了現(xiàn)在用于推斷宇宙的古老天體是球由球狀星團測得的哈勃常量在５０～１００ｋｍ·ｓ－１ 由此算出的球狀星團的（１５０±３０）億年的范圍內(nèi)專家認為它不會小于１２０億年 這些結(jié)果與宇宙的理論值符合得很好無疑這對宇宙學(xué)理論是很大的支持八、按標準宇宙模型，在熱平衡的“宇宙湯”階段，中子與質(zhì)子的數(shù)量相等隨著宇宙的膨脹，二者比例降低，３ｍｉｎ時為１∶６，此時中子與質(zhì)子形成氘核的核反應(yīng)開始核反應(yīng)繼續(xù)進行就生成氦氦同氫的質(zhì)量分別占２５％和７５％，就是說元素形成時其他元素的分量很少，宇宙中幾乎全是氫和氦從系、其他恒星、星際介質(zhì)、不同星系以及宇宙射線觀測和研究中獲得的數(shù)據(jù)表明，宇宙氦的含量在２２％～２５％之間，而氫與氦的質(zhì)量比約為３∶１，理論值與觀測接近另外，同一時期合成的氘及鋰、鈹、硼等輕元素盡管數(shù)量比氫、氦少得多，但理論給出的豐度值與實際觀測也較接近這種普適性對大宇宙模型是有力的支持另外重子光子數(shù)之比的測量也是對該模型肯定的檢驗 星系的和演星系是由幾十億至幾千億顆恒星以及星際氣體和塵埃等構(gòu)成，占據(jù)幾千光年至幾十萬光年的空間的天體系統(tǒng)星系是構(gòu)成宇宙的基本單元系就是一個普通的星系系以外的星系稱為河外星系，一般稱為星系１９２４年，哈勃根據(jù)天文觀測，確認仙女座、三角座和ＮＣ６８２２是系以外的天體系統(tǒng)，稱它們?yōu)楹油庑窍敌窍档耐庑魏徒Y(jié)構(gòu)是多種多樣的年，哈勃按星系的形態(tài)把星系分為三大類：橢圓星星系在永恒地運動它內(nèi)部的恒星在運動， 星系的質(zhì)量是可測的根據(jù)定律，轉(zhuǎn)動著的星系內(nèi)任一點的離心力必須同該點軌道以內(nèi)所有物質(zhì)對它的引力相平衡，這就由速度－距離的實測曲線得出星系的質(zhì)量分布和總質(zhì)量用此法求出的星系質(zhì)量一般為１０９～１１ｍ，例如仙女星系的質(zhì)量為３×１０１１ ? 一個透鏡形的系統(tǒng)，直徑約為８１５４０ｌ．ｙ．，厚約３．２６～６．５２ｌ．ｙ．它的主體稱為銀盤系中心是一個大質(zhì)量核球，長軸長１３０００～１６３００ｌ．ｙ．，厚約１３０００ｌ．ｙ．直徑約９７８００ｌ．ｙ．的銀暈籠罩著 系的質(zhì)量約為１．４×１０１１ｍ，其中恒星約占９０％，氣體和塵埃組成的星際物質(zhì)約占 ?０％系整體作較差自轉(zhuǎn)系是一個Ｓｂ或Ｓｃ型旋渦星系，擁有２０００億顆以上的恒星按大宇宙模型推測，大之后數(shù)十億年，宇宙中的大量原子在引力作用下逐漸為眾多的原星系云，它們是星系的前身許多原星系云在一起，便形成各種等級的星系同時原星系云內(nèi)部則逐漸形成千千萬萬的第一代恒星某些恒星誕生時，四周還會形成一個由氣體和塵埃構(gòu)成的薄盤盤中的塵粒相互吸引、碰撞黏合，體積逐漸增大，最終形成行星、小行星和其他類型的固態(tài)天體和系就是這樣一個實例下面依次介紹星系、恒星和系一個星系對于宇宙這個“滄海”不過是小小的一滴，盡管如此，它也有自己的形成和演化的歷史天文學(xué)家普遍認為，星系是由初始氣云形的在標準宇宙模型中，不均勻性的來自宇宙極早期的真空相變像許多相變都會留下對稱性的缺陷那樣，真空相變也留下一些不均勻結(jié)構(gòu)這些不均勻結(jié)構(gòu)中的密度較高的地方通過引力相互作用吸引周圍的物質(zhì)，像滾雪球那樣越滾越大，直至形成初始氣云剛從初始氣云凝聚出來的星系胚胎是什么樣子目前雖不清楚，但可以肯定地說，對于足夠大的質(zhì)量集中區(qū)，向內(nèi)的引力會超過向外的壓力而使氣云坍縮為致密的星系其過程大致是，隨著時間的推移星系級初始氣云開始收縮，例如收縮成類似系的氣云盤，氣云盤一步步成為更小更密的碎片，由這些碎片誕生出第一代恒星，第一代恒星質(zhì)量比質(zhì)量大得多，也亮得多，也短得多它們在大約１０００萬年內(nèi)耗盡了自己的核，而后通過爆發(fā)形式把自己內(nèi)部合成的重元素拋回星際空間，從而進入第二代、第三代……恒星的生成和演化的循環(huán)上述過程的是，星系越年輕重元素的含量就越少，而顏色越偏藍天文觀測表明，情況的確如此除了化學(xué)組成以外，星系的形態(tài)也隨時間而變化星系演化的總趨勢，是隨著它們的引力能和核能的釋放，星系便演化為更有組織和更加致密的天體若宇宙是開放的，即膨脹下去的話，有人估計，大１０２７ａ內(nèi)一切星系及星系團都將演化成星系級黑洞及超星系級黑洞將有大量的死星（白矮星、中子星）和從星系中噴出的其他物質(zhì)碎塊在無垠的不斷膨脹的宇宙中游蕩，而那些星系級及超星系級黑洞彼此不斷地遠離著…… 恒星的和演恒星是構(gòu)成星系的基本單元，是將宇宙原始物質(zhì)合成各種重元素的熔爐研究恒星的形成和演化是研究系結(jié)構(gòu)和演化的基礎(chǔ)在星際彌漫物質(zhì)到恒星的演化鏈上，恒星的形成是最恒星問題是宇宙學(xué)中解決得最好的問題之一恒星是從星際分中形成的；恒星有形成、發(fā)展和的過程著的恒星把它合成的原子核注入殘余星際氣體中，從這些氣體中又產(chǎn)生出新一代恒星，星系中這種恒星的消亡與再生過程，已為大量觀測資料所證實對恒星演化的最后階段比其形成階段了解得要好一些觀測表明，星系中恒星間的區(qū)域不是真空而是充有星際物質(zhì)，主要是氣體云、塵埃云組成的巨大分一、１７世紀、１８世紀初等倡言的散布于空間中的彌漫物質(zhì)（稱為）可以在引力作用下凝聚成系和恒星的假說，經(jīng)過歷代天文學(xué)家的努力已逐漸發(fā)展成為相當(dāng)成理論２０世紀６０年代確立了恒星從星際分中形成這一重大的現(xiàn)代學(xué)說，成為恒星形成研究的主要成就 盡管星際物質(zhì)的密度很低，約為１０－１９ｋｇ／ｍ３，但它們的分布很不均勻 巨大分密度較高部分在自身引力作用下會變得更密 密度越大氣體間的引力也越大，從而進一步增加了其密度 引力做功轉(zhuǎn)化成熱，使分密度增加的同時溫度也不斷增高 當(dāng)氣體密度與溫度達到一定值時（一些偶然情況也可使氣體云變得十分稠密），向內(nèi)的引力足以克服向外的壓力，大分將急劇收縮，聚向中心形成一個密度大的天體，稱為云核 如果氣體云起初有足夠的旋轉(zhuǎn)，則在天體周圍會形成類似系樣子的氣塵盤 引力勢能轉(zhuǎn)化為熱能而使中心天體熾熱發(fā)光 這就是原恒星階段 當(dāng)盤中物質(zhì)在引力作用下不斷落向原恒星，原恒星在不斷收縮過，引力能轉(zhuǎn)化的熱能使中心溫度達到１０７Ｋ時，就足以觸發(fā)恒星中心氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)，而放出巨大的核能，此時恒星不斷向外輻射出大量能量，我們說一顆恒星誕生了 恒星的質(zhì)量一般在０．１～１００ｍ☉之間 更小的質(zhì)量不足以觸發(fā)熱核反應(yīng)，而更大的質(zhì)量則會由于產(chǎn)生的輻射壓力太大而恒星質(zhì)量的大小取決于它誕生時的條件 近年來紅外天文探測到成千上萬個處于形成過的恒星 原恒星輻射主要在電磁波譜的紅外波段，獵戶座大量的紅外輻射源支持恒星在這里誕生的觀點 另外毫米波射電望遠鏡在一些原恒星周圍發(fā)現(xiàn)由盤兩極射出的噴流等現(xiàn)象，也是對恒星形成理論的有力支持 第一代恒星是星系形成時期由初始氣云碎片凝聚而成的，其他代恒星是由星系中的星際物質(zhì)形成的，而一些突發(fā)，如超爆發(fā)等，是引起氣體云密度變得大到足以產(chǎn)生新恒星的必要條件目前已經(jīng)從理論上認識到恒星形成的若干過程和階段，如引力不穩(wěn)定導(dǎo)致的分的動力學(xué)坍縮、原恒星的吸積階段以及主序前準靜態(tài)收縮等從觀測上逐漸發(fā)現(xiàn)了與恒星有關(guān)的特殊天體和現(xiàn)象，如深埋在稠密分中的低溫紅外源、年輕星的劇烈活動現(xiàn)象今后，恒星形成研究將朝兩個主要方向發(fā)展：一方面是探索單顆恒星形成的具體過程，另一方面是揭示恒星形成的統(tǒng)計規(guī)律二、恒星的演化過程可分為四個階段 初始階段、亞穩(wěn)階段、周期性收縮膨脹階段、引力坍縮 如果星的能源僅來自引力能，恒星便不會維持多 對這樣的恒星，引力能僅能維持輻射２萬年左右，而至今已有５０億年 維持恒星不斷發(fā)光發(fā)熱的能源，絕大部分是恒星內(nèi)部 核聚變反應(yīng)提供的質(zhì)量輕的原子核經(jīng)核聚變生成質(zhì)量較大的核，生成核的質(zhì)量一般都小于反應(yīng)前元素質(zhì)量的和，這稱為質(zhì)量虧損按愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系，與一定質(zhì)量ｍ相聯(lián)系的能量是質(zhì)量乘以光速的平方，即ｍｃ２與虧損質(zhì)量相聯(lián)系的能量也這樣計算，它在聚變反應(yīng)中以粒子動能的形式釋放出去這是一個十分巨大的能源，例如，對應(yīng)１ｍ２表面積的功率就相當(dāng)于６．３×１０７Ｗ的動力站對大小的恒星，核能維持其輻射約上百億年恒星內(nèi)的氫怎樣聚變?yōu)楹?？答案在１９３８年首先由的貝特和德國的魏茨澤克找到了該反?yīng)可通過質(zhì)子－質(zhì)子循環(huán)鏈或碳－氮－氧循環(huán)鏈實現(xiàn)，每四個氫原子核聚變變成一個氦原子核放出２４．７ＭｅＶ能量恒星形成后最初階段的光和熱就是該聚變提供的，氫彈的能源也如此可以說恒星最初是以每秒數(shù)百萬顆氫彈獲得能量的核燃燒使恒星內(nèi)部物質(zhì)產(chǎn)生向外的輻射壓力，當(dāng)輻射壓力與引力達到平衡時，恒星的體積和溫度就不再明顯變化，進入一個相對穩(wěn)定的演化階段，稱為亞穩(wěn)階段可以說亞穩(wěn)階段是恒星的壯年期，恒星在這一階段停留的時間最長，是其生命的主要部分包括在內(nèi)的迄今發(fā)現(xiàn)的恒星９０％處在這一階段一個恒星這一階的長短取決于它的量對于太陽質(zhì)量的恒星，產(chǎn)能速率約為２×１０－Ｊ／（ｋｇ·ｓ），該階段約為１００億年質(zhì)量比大的恒星這一階段倒比的短這是因為其核反應(yīng)比的激烈、產(chǎn)能率高［可高達０．１Ｊ／（ｋｇ·ｓ）］，從而發(fā)光發(fā)熱也快的緣故因此對許多大質(zhì)量恒星來說，亞穩(wěn)階段或核燃燒的主星序階段僅可能維持幾千萬年恒星中的核燃燒不僅發(fā)生于氫到氦的轉(zhuǎn)變，還有氦到碳再到其他較重元素的逐級轉(zhuǎn)變但發(fā)生這些轉(zhuǎn)變溫度要求越來越高當(dāng)恒星部分氫完全轉(zhuǎn)變成氦后（７個質(zhì)量的恒星大約用２６００萬年），恒星的內(nèi)部將要發(fā)生新的變化一方面，星核由于輻射能力下降在引力作用下將收縮，收縮過引力做功產(chǎn)生的熱將恒星溫度再次提高，達到氦生成碳的程度，新一輪核反應(yīng)；另一方面，氦的恒星外面殼層的氫也會燃燒可以想象，同時有兩個不同的核聚變發(fā)生，情況將是復(fù)雜的當(dāng)氦燃燒完畢后，恒星又會類似地進行新一輪核反應(yīng)這樣的過程一直會進行到合成鐵時為止這一階段恒星經(jīng)歷幾個不同的核聚變反應(yīng)，恒星也經(jīng)歷多次收縮膨脹，其光度也發(fā)生周期性的變化此階段可稱為恒星的“更年期”紅巨星、紅超巨星就是這一階段后期的產(chǎn)物如果變成一顆紅巨星，它可膨脹到水星、金星甚至地球軌那么大造父變星被認為處在紅超星階段的恒星１７８４年英國的聾啞人約翰·古德利克發(fā)現(xiàn)仙王座中一顆亮星 造父星的亮度是變化的，人們很快發(fā)現(xiàn)它有節(jié)奏地變亮變暗，周期為５天，極大亮度是極小亮度的２．５倍此后人們發(fā)現(xiàn)了很多這樣的星，光變周期在１～４０天之間，表面溫度約５３００Ｋ（由此判定它們是紅超巨星），它們被命名為造父變星直到１９６０１９６１年，考克斯、貝克和基彭哈恩根據(jù)路易斯·亨耶方法，用計算機對較大質(zhì)量恒星演化作模擬計算，得到恒星演化到紅超巨星階段出現(xiàn)周期性的收縮－膨脹，才證明愛丁頓－熱瓦金很早就理論可以很好地解釋造父變星的脈動造父變星的光變周期與脈動周期三、恒星內(nèi)部的熱核反應(yīng)的持續(xù)時間總是有限的，但是恒星自身物質(zhì)之間的巨大引力卻存在，這就出現(xiàn)了恒星結(jié)局的問題隨著恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)的停止，盡管恒星外層部分會出現(xiàn)膨脹、爆發(fā)等復(fù)雜的變動，部分卻必定在引力作用下發(fā)生急劇的收縮，即所謂引力坍縮這種坍縮是會被某種新形式的壓力所阻擋，還是地進行下去呢？這個問題，盡管是２０世紀的兩大物理學(xué)理論即量子力學(xué)和相對論攜手作答，并且有了不少重要的進展，卻還遠未徹底解決恒星演的第種結(jié)局：量子學(xué)了具極高的物質(zhì)態(tài) 簡并態(tài)的存在如果恒星的質(zhì)量不超過１．４倍質(zhì)量，則簡并電子氣的壓力能夠抵抗住引力坍縮，使星體穩(wěn)定下來這就是白矮星，其密度約是水的１萬至１００萬倍這是恒星演化的第一種結(jié)局其實在紅巨星階段白矮星就可能在其中埋藏著了第一顆被發(fā)現(xiàn)的白矮星是雙星系統(tǒng)天狼星Ａ的伴星天狼Ｂ隨著白矮星的漸漸冷卻，它會越來越暗，直至變成有人稱謂的“黑矮星”穩(wěn)定白矮星的質(zhì)量上限為１．４４ｍ☉，稱為錢德拉塞卡極限按照目前的計算，所有在形成時質(zhì)量不超過８ｍ☉的恒星，在漫長的演化生涯中都會丟失掉大部分質(zhì)量，最后成為白矮星恒星演化的第二種結(jié)局：初始質(zhì)量更大的恒星，其晚期的引力坍縮會更厲害一種可能的結(jié)局是電子被擠進原子核內(nèi)，與質(zhì)子結(jié)合成中子，并且達到簡并態(tài)恒星的外層則隨即出現(xiàn)超爆發(fā)而被炸散剩下的只是一個由簡并中子氣壓力支撐的，這就是中子星中子星幾乎完全由中子組成，其大小只有同質(zhì)量年輕恒星的百萬分之一中子星的是在２０世紀３０年代末做出的，在１９６７年由于射電脈沖星的發(fā)現(xiàn)而被證實然而這里還存在兩個方面的問題一是對超的爆發(fā)機制還不清楚，而超爆發(fā)不僅是認識恒星晚期演化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，還是比鐵更重的元素的生成途徑，是導(dǎo)致新一代恒星形成并影響整個星系演化的重要因素二是對中子星本身狀態(tài)的認識還很貧乏中子星物質(zhì)的密度可達到甚至超過１０１７ｋｇ／ｍ３，其他物理條件，如強引力、高溫度、強磁場等的程度也都遠超過白矮星，更是地球里絕不可能仿制的對這種物質(zhì)的探索，必將成為新物理的一個生長點作為這方面的一個更具體也更緊迫的問題，簡并中子壓抗衡引力的限度，即中子星的最大可能質(zhì)量，尚沒有精確決定，現(xiàn)有的估算值是在于２～３ｍ☉我國宋史記載宋仁宗至和元年（１０５４年）出現(xiàn)的“客星”是我國古書記載的９０個超爆發(fā)事例中資料最詳盡的一個它最亮?xí)r比金星還要亮這顆超的遺跡就是著名的蟹狀，它以１１００ｋｍ／ｓ的速度向外膨脹著９００年后英國天文學(xué)家在那個位置發(fā)現(xiàn)的脈沖星，就是那次爆發(fā)剩余的星核中子星脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的中子星它有很強的磁場，當(dāng)自轉(zhuǎn)軸與磁場軸不一致時，磁感應(yīng)線的兩個輻射錐就像燈塔一樣掃過接收者，于是收到脈沖信號，超爆發(fā)的一種解釋是它由晚期恒星外部的爆發(fā)性核聚變引起核聚變可能是晚期恒星內(nèi)部中子星核形成時的中微子流、沖擊波觸發(fā)的，沖擊波與中微子流從內(nèi)向外流，穿過外殼層時產(chǎn)生高溫，從而最外層的核聚變而形成爆發(fā)超爆發(fā)把恒星核反生成的較重的原子拋向剩余的星際物質(zhì)中，而沖擊波穿過這些物質(zhì)時使其密度大增，從而有助于新恒星的形成已觀察到超爆發(fā)后的區(qū)域中新恒星的出現(xiàn)恒星演化的第三種結(jié)局：如果恒星在經(jīng)過各種形式的質(zhì)量損失特別是超爆發(fā)之后，其核心剩余的質(zhì)量仍在３ｍ☉以上，就沒有任何力量能夠引力坍縮按照廣義相對論，物體一旦收縮到一個被稱為特征半徑的引力半徑以下，強大的引力就會使得包括光在內(nèi)的任何物質(zhì)都不可能再逃逸出來，物體也就在之中這就是黑洞，即恒星演化的第種結(jié)局雖然我們現(xiàn)在稱作黑洞的概念可以追溯到２００多年前，但是黑洞這個名詞是晚到１９６７年才由物理學(xué)家·惠勒提出來的１９７４年，英國物理學(xué)家史蒂芬·研究發(fā)現(xiàn)，黑洞不是完全黑的，它以恒定的速率發(fā)射出輻射和粒子發(fā)射出的粒子具有準確的熱譜，黑洞正如同通常的熱體那樣產(chǎn)生和發(fā)射粒子，這熱體的溫度和黑洞的表面引力成比例并且和質(zhì)量成反比對 于一顆具有質(zhì)量的黑洞，其溫度大約只有熱力學(xué)溫度的千萬分之一開黑洞是時空的一個黑洞輻射的是廣義相對論和量子力學(xué)相結(jié)合的研究結(jié)果黑洞物理也正在成為嶄新的物理學(xué)分支然而，黑洞的存在卻還沒有得到完全的確認，部分地是在理論上的問題，理論上的主要問題是奇點問題，如果坍縮地進行下去，就必然形成一個物質(zhì)密度為無窮大的點，而這是不可接受的避免奇點的希望寄托于廣義相對論與量子論的真正聯(lián)姻，即引力場亦即時空的量子化這種量子化的典型尺度是１０－３３ｃｍ，稱為長度，比基本粒子的尺度還要?。玻皞€數(shù)量級觀測上的主要問題是無法觀測孤立的黑洞若黑洞是與另一個普通恒星組成雙星系統(tǒng)，則另一個恒星的表層物質(zhì)就可能被黑洞拉去，并且在下落過釋放引力能而發(fā)出Ｘ射線輻射，據(jù)此，從原則上講，我們可以探測黑洞在于，雙星中的中子星也同樣可以成為強Ｘ射線源現(xiàn)在唯一的辦法是運用勒第三定律來推算Ｘ射線源的質(zhì)量，如果這個質(zhì)量超過３ｍ☉，黑洞就得到了認證但由于雙星系統(tǒng)的軌道參量和其中普通恒星的質(zhì)量難以精確測定，迄今雖已努力２０多年，找到的黑洞只有三個，并且還沒到確定無疑的程度黑洞的最后確認，乃至廣義相對論的最后確認，都依賴于引力波的探測成功 一、系是系中的一個星系在銀道面以北約２６ｌ．ｙ．，距銀心約３２６００ｌ．ｙ．，以２５０ｋｍｓ速度繞銀心運轉(zhuǎn)，每２．５億年轉(zhuǎn)１陽是中心天體，其他天體都在的引力作用下，圍繞公轉(zhuǎn)其他天體主要成員是八大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、星和海王星的質(zhì)量占系總質(zhì)量的９９．８％，其他天體質(zhì)量總和只有系總質(zhì)量的０．２％八大行星都在接近同一平面的近圓形軌道上，朝同一方向公轉(zhuǎn)八大行星都有自轉(zhuǎn)地球、火星、木星、土星、星和海王星自轉(zhuǎn)周期為幾小時到一射的發(fā)光恒星，其他天體都沒有核能源輻射（木星、土星有紅外輻射熱源），主要被光照射而發(fā)光（圖１－１－５－１）系的可以用說解釋２０世紀以來人們提出了十多個學(xué)說，都認為系是由一個旋轉(zhuǎn)著的同一個星際物質(zhì)云在自引力作用下逐漸收縮形成的根據(jù)這一理論，大約５０億年前，還是一團緩慢轉(zhuǎn)動的彌漫氣體云由于其他天體的引力擾動或鄰近超爆發(fā)的沖擊波，這塊氣體云開始坍縮，稠密的變?yōu)樵?，周圍旋轉(zhuǎn)的塵粒和氣體原子，形成一個薄盤原后來原為大量引力束縛的團塊（星子），星子具有小行星的尺度，其中一部分就是今天的小行星和彗核，另一部分通過碰撞合并長大成星胚這些星胚繼續(xù)吸積周圍的物質(zhì)，像滾雪球一樣最后變成大行星及其由于所有這些天體均由圍繞原圖１１５１向自轉(zhuǎn)）可以用潮汐效應(yīng)等其他因素來解釋二、是系的中心天體它是一顆普通恒星它是一個半徑７×１０５ｋｍ、表面溫度６０００Ｋ、溫度１．５×１０７Ｋ、質(zhì)量約為２×１０３３ｇ的氣體球它的平均密度為１．４０９ｇ／ｃｍ３，表面加速度為２．７４×１０ｃｍ／ｓ２內(nèi)部發(fā)生著氫聚變成氦的核反應(yīng)，人們賴以生存的光和熱，就是由這種核反應(yīng)產(chǎn)生的它一方面繞系的中心運動，另一方面相對于它周圍的恒星所規(guī)定的本地靜止標準作１７．９ｋｍ／ｓ的本動在中心區(qū)的氫核聚變產(chǎn)生的能量，主要以輻射形式穩(wěn)定地向空間發(fā)射形成輻射和活動的動力來自內(nèi)部在這里富含氫元素的氣體通過質(zhì)子－質(zhì)子反應(yīng)和碳氮循環(huán)把質(zhì)子聚變?yōu)棣亮Ｗ樱瑥亩尫懦鼍薮蟮哪芰烤S持的平衡大氣層分為三層，從內(nèi)向外依次是光球、１．光球是肉眼所見到的表面層，厚約３００～５００ｋｍ６０００Ｋ的表面溫度指的就是光球的溫度我們接收到的能量基本是光球發(fā)出的，的光譜實際上就是光球的光譜光球的密度約為１．０×１０－７ｇ／ｃｍ３從整體上說，光球是明亮的，但是各部分亮度很不均勻在光球內(nèi)部布滿了米粒組織，總數(shù)約４００萬顆，其中有黑子、光斑，偶爾還有白光耀斑最引人注目的是黑子，其溫度比光球低１０００～２０００Ｋ，故看起來比光球黑小黑子直徑上千千米，而大黑子直徑約１０萬ｋｍ以上黑子有強達幾千的磁場磁極性黑子常成對出現(xiàn)，導(dǎo)后 隨黑子具有相反的磁極 黑子平均生存時間約一地球日，少數(shù)可存在數(shù)月至一年以上 動的兩個周期是黑子數(shù)目變化周期（１１年）和磁場極性變化周期（２２年） 黑子活動是活動的主要標志之一，它的周期是活動周期