探索宇宙奧秘課程概述宇宙的起源與演化天體物理學(xué)基礎(chǔ)宇宙的誕生大爆炸理論宇宙膨脹哈勃定律遙遠(yuǎn)星系退行速度與距離成正比暗能量的作用推動(dòng)宇宙加速膨脹的神秘力量宇宙的組成可見物質(zhì)4.9%暗物質(zhì)26.8%暗能量68.3%基本粒子費(fèi)米子夸克輕子玻色子光子希格斯玻色子標(biāo)準(zhǔn)模型描述粒子相互作用的理論框架四種基本力強(qiáng)核力最強(qiáng)作用力，束縛原子核弱核力負(fù)責(zé)放射性衰變電磁力負(fù)責(zé)分子形成和化學(xué)反應(yīng)引力最弱但作用范圍最廣引力牛頓萬有引力定律質(zhì)量之間相互吸引的力愛因斯坦廣義相對論引力是時(shí)空彎曲的結(jié)果時(shí)空彎曲引力透鏡效應(yīng)光線被大質(zhì)量天體引力場彎曲可用于觀測遙遠(yuǎn)星系黑洞時(shí)空極度彎曲的區(qū)域引力強(qiáng)大到光無法逃脫黑洞事件視界無法返回的臨界點(diǎn)奇點(diǎn)物質(zhì)高度壓縮的中心時(shí)空扭曲接近黑洞時(shí)間變慢霍金輻射黑洞蒸發(fā)黑洞隨時(shí)間損失質(zhì)量量子效應(yīng)虛粒子對在事件視界邊緣產(chǎn)生理論預(yù)言霍金提出但尚未被直接觀測星系螺旋星系旋臂結(jié)構(gòu)銀河系屬于此類橢圓星系無明顯結(jié)構(gòu)老年恒星為主不規(guī)則星系無對稱形狀常為碰撞產(chǎn)物銀河系10萬光年直徑光速傳播需要10萬年2000億+恒星數(shù)量可能多達(dá)4000億顆26000光年距離中心太陽系位置本星系群銀河系我們的家園，棒旋星系仙女座星系最近的大型星系麥哲倫云銀河系的衛(wèi)星星系星際物質(zhì)星際氣體主要為氫和氦占星系質(zhì)量的10-15%星際塵埃微小固體顆粒阻擋和散射光線恒星的誕生分子云坍縮重力使氣體云凝聚核心形成溫度和密度逐漸升高原恒星階段外層物質(zhì)繼續(xù)吸積核聚變開始中心溫度達(dá)到臨界點(diǎn)主序星氫核聚變氫原子核合成氦放出能量引力平衡輻射壓力與引力達(dá)到平衡穩(wěn)定階段恒星生命的大部分時(shí)間恒星分類按質(zhì)量、亮度、溫度劃分恒星演化主序階段氫轉(zhuǎn)化為氦的穩(wěn)定期紅巨星氫耗盡，外層膨脹氦閃核心開始燃燒氦行星狀星云外層氣體拋射，形成絢麗星云恒星的死亡黑洞大質(zhì)量恒星終點(diǎn)2中子星中等質(zhì)量恒星殘留白矮星類日恒星最終歸宿超新星爆發(fā)II型超新星大質(zhì)量恒星核心坍縮引力崩塌產(chǎn)生劇烈爆炸Ia型超新星白矮星吸積物質(zhì)超過錢德拉塞卡極限碳氧核心發(fā)生劇烈聚變元素的起源1大爆炸核合成氫、氦、少量鋰恒星核合成從碳到鐵的元素3超新星核合成鐵以后的重元素4中子星碰撞金等貴金屬元素行星系統(tǒng)原行星盤扁平旋轉(zhuǎn)氣體塵埃盤塵埃聚集形成巖石核心行星形成氣體吸積或核心增長系統(tǒng)穩(wěn)定軌道排列清理完成太陽核心核聚變區(qū)域，溫度達(dá)1500萬度1輻射層能量通過光子緩慢向外傳遞2對流層熱氣體上升，冷氣體下沉3光球?qū)涌梢姳砻妫瑴囟燃s5500度4大氣層包括色球?qū)雍腿彰釋?類地行星氣態(tài)巨行星木星太陽系最大行星，大紅斑特征土星壯觀環(huán)系，低密度氣態(tài)結(jié)構(gòu)天王星藍(lán)綠色大氣，極端傾斜軸海王星強(qiáng)風(fēng)速，深藍(lán)色大氣矮行星與小天體冥王星2006年被重新分類有五個(gè)已知衛(wèi)星小行星主要集中在小行星帶谷神星為最大小行星彗星冰雪塵?；旌咸祗w接近太陽時(shí)形成尾巴系外行星發(fā)現(xiàn)方法視向速度法凌日法引力微透鏡直接成像已知統(tǒng)計(jì)已確認(rèn)超過5000顆涵蓋多種類型大多系統(tǒng)不同于太陽系宜居帶液態(tài)水維持生命的關(guān)鍵條件適宜溫度與恒星距離決定大氣保護(hù)抵御輻射，維持溫度尋找地外生命重點(diǎn)關(guān)注宜居帶行星暗物質(zhì)觀測證據(jù)星系旋轉(zhuǎn)曲線異常引力透鏡效應(yīng)宇宙微波背景輻射候選粒子弱相互作用大質(zhì)量粒子軸子原初黑洞暗能量宇宙加速膨脹通過Ia型超新星觀測發(fā)現(xiàn)本質(zhì)未知最大宇宙之謎宇宙學(xué)常數(shù)愛因斯坦方程中的能量項(xiàng)斥力性質(zhì)抵抗引力，推動(dòng)膨脹宇宙學(xué)原理均勻性宇宙大尺度上物質(zhì)分布均勻各向同性從任何位置觀測宇宙特性相同宇宙微波背景輻射原初密度漲落星系和恒星輻射銀河系前景輻射宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)1星系基本天體單元星系團(tuán)數(shù)十至數(shù)千星系聚集3超星系團(tuán)多個(gè)星系團(tuán)形成巨大結(jié)構(gòu)長城結(jié)構(gòu)巨大星系絲狀分布宇宙空洞星系稀少區(qū)域多重宇宙理論平行宇宙相同物理規(guī)律不同歷史演化泡沫宇宙多個(gè)宇宙泡相互獨(dú)立不同基本常數(shù)量子多世界每次量子測量創(chuàng)造新世界分支宇宙無限增多量子力學(xué)與宇宙量子糾纏粒子狀態(tài)相互關(guān)聯(lián)愛因斯坦稱為"幽靈般的超距作用"量子隧穿粒子穿越能量勢壘違反經(jīng)典力學(xué)預(yù)期時(shí)間與空間時(shí)空連續(xù)體時(shí)間與空間相互關(guān)聯(lián)時(shí)間膨脹效應(yīng)強(qiáng)引力場或高速使時(shí)間變慢長度收縮高速物體在運(yùn)動(dòng)方向變短宇宙的未來持續(xù)膨脹星系越來越遠(yuǎn)離熱寂說能量均勻分布，熱死亡大撕裂暗能量撕裂所有結(jié)構(gòu)天文學(xué)史古代天文學(xué)巴比倫、埃及、中國、瑪雅地心說托勒密體系主導(dǎo)一千多年3日心說哥白尼革命性觀點(diǎn)4望遠(yuǎn)鏡時(shí)代伽利略開創(chuàng)觀測新紀(jì)元伽利略的貢獻(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的使用首次將望遠(yuǎn)鏡用于天文觀測木星衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)觀測到四顆最大衛(wèi)星金星相位證明行星環(huán)繞太陽開普勒定律第一定律行星軌道是橢圓，太陽位于焦點(diǎn)第二定律行星與太陽的連線在相等時(shí)間掃過相等面積第三定律軌道周期的平方與軌道半長軸的立方成正比牛頓力學(xué)第一運(yùn)動(dòng)定律慣性定律靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)第二運(yùn)動(dòng)定律F=ma加速度與力成正比第三運(yùn)動(dòng)定律作用力與反作用力大小相等，方向相反萬有引力定律F=G(m?m?)/r2解釋行星運(yùn)動(dòng)愛因斯坦相對論狹義相對論光速恒定時(shí)空相對性E=mc2廣義相對論引力即時(shí)空彎曲預(yù)言黑洞存在引力波現(xiàn)代宇宙學(xué)宇宙大爆炸理論宇宙起源于高密度、高溫狀態(tài)宇宙膨脹哈勃發(fā)現(xiàn)紅移現(xiàn)象暴脹理論解釋宇宙均勻性問題光學(xué)望遠(yuǎn)鏡反射式望遠(yuǎn)鏡使用凹面鏡收集光線無色差，可制造大口徑代表：哈勃望遠(yuǎn)鏡折射式望遠(yuǎn)鏡使用透鏡收集光線結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便口徑受限，存在色差射電望遠(yuǎn)鏡單天線射電望遠(yuǎn)鏡接收宇宙射電信號(hào)射電望遠(yuǎn)鏡陣列多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組合使用甚長基線干涉測量分布全球的望遠(yuǎn)鏡協(xié)同工作空間望遠(yuǎn)鏡X射線和伽馬射線天文學(xué)錢德拉X射線天文臺(tái)觀測高能宇宙現(xiàn)象費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡研究最劇烈的宇宙事件主要研究對象中子星、黑洞、超新星遺跡引力波探測中微子天文學(xué)中微子特性幾乎無質(zhì)量極少與物質(zhì)相互作用攜帶超新星爆發(fā)信息探測方法大型水池探測器超純水中光電倍增管捕捉切倫科夫輻射太空探索深空探測探索太陽系邊界載人航天空間站與未來月球基地衛(wèi)星技術(shù)地球觀測與通信登月計(jì)劃1阿波羅計(jì)劃1969-1972年間6次成功載人登月嫦娥工程中國探月計(jì)劃，多階段實(shí)施3阿爾忒彌斯計(jì)劃美國計(jì)劃重返月球，建立月球基地火星探測9成功著陸次數(shù)人類探測器成功登陸火星次數(shù)2030年載人登陸目標(biāo)多國計(jì)劃在2030年代實(shí)現(xiàn)6.5噸最大探測器毅力號(hào)火星車重量小行星與彗星探測羅塞塔任務(wù)首次彗星表面著陸探測67P/楚留莫夫-格拉希門克彗星OSIRIS-REx任務(wù)貝努小行星樣本采集樣本返回地球隼鳥2號(hào)日本探測器龍宮小行星樣本返回木星系統(tǒng)探測伽利略號(hào)首個(gè)木星軌道衛(wèi)星朱諾號(hào)研究木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)歐羅巴快帆未來探測木衛(wèi)二地下海洋土星系統(tǒng)探測卡西尼號(hào)13年土星軌道探測1環(huán)系研究詳細(xì)記錄土星環(huán)結(jié)構(gòu)惠更斯探測器成功著陸土衛(wèi)六表面3土衛(wèi)六生命可能性甲烷湖泊和有機(jī)物豐富4系外行星探測計(jì)劃開普勒太空望遠(yuǎn)鏡2009-2018年運(yùn)行發(fā)現(xiàn)2600多顆系外行星使用凌日法TESS衛(wèi)星全天區(qū)巡天專注鄰近恒星系統(tǒng)尋找宜居帶內(nèi)行星未來的太空探索可重復(fù)使用火箭降低發(fā)射成本月球與火星基地建立永久居住點(diǎn)太陽系外探測星際探測器開發(fā)太空資源利用小行星采礦天文學(xué)與日常生活GPS定位依賴相對論效應(yīng)校正氣象衛(wèi)星天氣預(yù)報(bào)與災(zāi)害監(jiān)