银河系结构及太阳的运动.doc

1.1 银河系结构及太阳的运动 晴夜仰望，但见天穹深邃，星体闪烁，银河高悬，流星飞驰。自古以来，群星构成的壮丽图案不但形成许多动人心弦的神话传说，更激励科学家们去探索宇宙的奥秘。 16世纪前人们只能凭肉眼见到六、七千颗星体，著名的银河Milky Way仅是一条乳白色亮带。在当时条件下，古代天文学家创建了天体测量学和哥白尼日心学说，认识到太阳系内天体运行的现象，解决了人类的授时和编历问题，为史前畜牧经济和以后的农业经济发展作出了重要贡献。 17世纪是人类认识宇宙的一次重要飞跃期。天文望远镜问世、开普勒三定律和万有引力定律建立，标志着人类进入掌握行星层次天体运动规律的新阶段，为人类进入工业经济时代奠定必要的科学基础。 20世纪早期恒星演化理论的建立，反映了天体物理学和现代天文学的进展，标志着人类在恒星层次上实现了认识宇宙的第二次飞跃。 20世纪后半叶是人类对宇宙认识的第三次飞跃期。在研究手段方面建立了大型光学望远镜、红外望远镜和射电望远镜，使天文观测领域扩展到整个电磁波段（含可见光、紫外光、红外光、无线电波、Ｘ射线、γ射线）和150亿光年左右时空尺度。观察地点发展到U2高空侦察机、哈勃太空望远镜、宇宙探测器和人类登月，避免了地球大气干扰和局限。理论方面有宇宙大爆炸学说多种模型问世。在人类从星系层次加深对动态宇宙的认识方面是划时代的进步，也与人类自工业经济迈向知识经济时代的转变相适应。 1银河系结构 银河系是星系的典型代表，由1500多亿颗恒星和星际物质组成。银河系主体部分称银盘，直径8.5万光年（1光年＝94600108km），中央呈近似球形隆起的部分称为核球，直径1-1.3万光年，厚约1万光年，是恒星高度密集区域；核球的中心称为银核，是银河系的质量中心。肉眼见到的银河就是银河系主体在天球上的投影。银盘外围被恒星密度很稀的扁球状银晕所包围，直径达到10万光年（千秒差距3261.6光年）。 从垂直银河系平面的方向看，银盘内恒星和星际物质在磁场和密度波影响下分布并不均匀，而是由核球向外伸出的四条旋臂组成旋涡结构。旋臂是银河系中恒星和际物质的密集部位。 太阳是银河系众多恒星中的普通一员，它位于银盘中心平面（银道面）附近和一条旋臂（猎户座旋臂）的内缘，距银核约2.7万光年处。 2太阳在银河系内的运动 银河系的旋涡结构反映了自身存在自转运动，也就是银河系中的恒星、星云和星际物质都绕银核旋转。太阳绕银核旋转的速度为250 km/s，旋转一周约2.53亿年，称为银河年。 银河系内不同星体间的运动也存在复杂的情况。有人提出太阳在旋转过程中可能发生二种周期性变化。一种是从银河系侧面看发生在银道面上下的往复波动，大体每隔35百万年就穿越银道面一次。另一种是从银河系平面看，由于不同星体旋转速度不等，太阳与银河系四个旋臂并不同步并行，大体每隔75百万年就穿越旋臂一次。上述假说在天文学研究领域内尚待进一步验证。 1.2 星系运动和总星系 1银河系的运动和河外星系 银河系除存在自转外，同时整体以214 km/s的速度向着麒麟座方向运动。近年天文学研究已陆续发现宇宙空间中存在500亿个类似银河系的恒星系，它们自身直径也达十万光年左右，离银河系则有几十亿至上百亿光年之遥，称为河外星系。若把可见宇宙比作广阔的海洋，它们只不过是散布其中的岛屿，也称为宇宙岛world island。 2从星系团到总星系 10万光年尺度的星系在空间分布并不均匀，它们有成团的趋势，可以形成星系团。星系团的规模大小不等，形状也各不相同，典型的空间尺度达到千万光年（即108km）量级，总质量达到1047g量级。星系团内星系之间距离约为百万光年量级。银河系和相邻仙女星系、麦哲伦星云等30个星系组成一个规模较小的集团，称为本星系群。 人类现在观测能力所及的可见宇宙称为总星系，其典型空间尺度为150亿光年，年龄为100年量级，总质量达到1056克量级。 1.3 大爆炸宇宙学与宇宙起源问题 1谱线红移与可见宇宙 轰鸣的火车驶近我们时声波频率增强，声调变高；驶离时则声波频率降低，声调变低（多普勒效应）。与此同理，发光星体接近观察者时，见到的星光谱线向频率高的蓝光方向移动，称为蓝移；当离开观察者时，向频率低的红光方向移动，称为红移。 哈勃E.P. Hubble, 1929经过大量实际观测发现来自不同星系的光呈现某种系统性的红移现象。根据星系中特定原子发射的光的谱线与地球上实验室内同种原子发射的光进行比较，可求得光源星系离开观察者的退行速度；再根据相同类型恒星的视亮度比较，推算出光源星体离我们的距离。由此获得了“光源越远的星体，离我们而去的速度也越快”的结论，就是著名的哈勃定律。 哈勃定律揭示了遥远的星系正在“逃离”我们而去，整个总星系都处于膨胀的变化之中，已经成为当今人们的共识。另一方面，银河系内部不同恒星的谱线分析证明也有不少蓝移现象，反映星系内部仍然具有吸引力，1996年哈勃太空望远镜还拍摄到距地球6300万光年处（乌雅座南部）星系间发生超级碰撞的照片。因此，宇宙的膨胀看来主要发生在星系团之间的空间迅速增大，星系本身尺度变化不大，类似吹胀气球时在气球表面看到的情况。现知宇宙中不同部位的密度特征也可能与之有关（表2-1）。 表2-1 宇宙不同部位空间物质密度 位置 太阳系内行星际物质 银河系内星际物质 总星系内星系际物质 密度 5个质子＋5个电子/cm3 地球轨道附近 1个氢原子/cm3 或10-24g/cm3 平均 510-30g/cm3 （星系团中心附近） 210-34g/cm3 （一般空间） 2大爆炸宇宙学说 当代宇宙起源假设中，大爆炸宇宙学说是最有影响的一种学说。该学说提出于40年代，本身也在不断发展完善中，近年的主要内容如下 宇宙在大爆炸前处于极高温和超高密状态，物质与反物质以及物质与能量均呈平衡状态。在某种物理条件下开始了大爆炸，在宇宙诞生10-44秒之后体积急剧暴胀，在10-34秒内迅速膨胀约10100倍，密度相应降低。但在1秒钟之内温度仍高达1032K至1010K以上，原子和分子均无法存在。当时宇宙中的物质存在形式和行为目前无法在实验室模拟，推测可能存在辐射能以及电子、中微子neutrinos, 一种不受电、磁、核力影响的基本粒子，1998年证实具有极微小的静止质量和质子、中子形式基本粒子。目前人类业已观测到从宇宙早期留下的最早原子核形成于爆炸后1秒钟，因此，可以把这1秒看作宇宙史研究的一道分水岭。 爆炸进行3分钟后，温度降至109K以下，核反应开始启动，由质子和中子聚变为氘核、氦核和锂核最轻元素后可以不至于瓦解（图2-4）。当时全部物质中氦占约22，氢占78，还有极少量氘和锂。 至百万年前后，温度降至107-6K范围，宇宙间弥漫着由轻元素原子核和电子、质子等组成的等离子体。2.5亿年后温度降至103K范围时，辐射减弱，中性原子形成，等离子体复合成为正常气体。至10亿年前后星系开始形成，50亿年前后开始出现首批恒星，太阳系的形成则在100亿年前后。 宇宙大爆炸学说虽然获得国际多数学者支持，但在大爆炸起因，大爆炸是永远进行下去还是后期将转化为收缩，大爆炸由一个奇点开始还是整个空间每一点都可看作是膨胀的中心，大爆炸最初1秒钟内的物质形式和行为等根本性问题上并没有公认结论，在哈勃半径和宇宙形成年龄测定上还存在不同见解。 有关宇宙大爆炸各种模型的提出和探讨，势必涉及时空是否永恒存在等一系列根本的哲学思想问题。例为有人认为在大爆炸之初的10-43秒（普朗克时期），当时的可见宇宙尺度小于它的量子波长，整个宇宙变得为量子不确定性所主宰，根本就没有“钟”和“尺子”能加以测量，即广义相对论时空概念失效，是一个没有时空的物理世界，需要通过时空的量子化途径来探讨已知时空形式的起源。这对于传统上认为宇宙无边无界、无始无终的哲学思想也是一种冲击，对于促进哲学观念的现代化也有重要意义。 2.1 星系的起源 宇宙空间中大量星系的形成机制，主要存在由弥漫物质凝聚的星云说和由超密物质爆发的超密说两大流派。 星云说 强调初始宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，在自引力下这些物质逐渐聚集成许多大型星系云，再在星系云内诞生大量恒星（见本章2.2节）而形成星系。20世纪80年代初，天文学家已发现离我们100亿光年外存在的原始星系云，基本处于电离氢状态，其体积与银河系接近，可能为初始宇宙大爆炸后遗留下来的原始星云物质。为星系起源的星云说提供可信佐证。 超密说 强调可见宇宙大爆炸过程中抛射出许多超高密度的物质块，每个块形成一个星系。超密块爆炸从核心再向四周演化，星系核心为残留的超密块，因此爆发作用尚未止息。天文学家已发现银核是一个强射电源区（强烈辐射射电波、红外波、γ射线波等），对本假说是有力支持。 可见宇宙中星系多达500亿个左右，形态结构和规模大小各异，很可能并非由单一机制形成。星云说反映了宇宙间弥漫星云物质收缩凝聚的“合二而一”过程，超密说则体现了宇宙间物质状态的“一分为二”发展方向，很可能这两条途径都与星系形成有关。但究竟以何种方式为主，不同方式出现的条件是什么，是否还有其它成因机制等，尚待继续研究。 哈勃（1926）按星系形态结构特征，区分为椭圆星系（E）、旋涡星系（S）和不规则星系（Ir,）三大类。银河系以往认为是典型的旋涡星系，最近趋向属棒旋星系。肉眼可见的仙女座大星云附近的伴生星系则属椭圆星系，著名的大、小麦哲伦星系可能都是不规则星系。 星系的演化趋势有人强调由椭圆星系→旋涡星系→不规则星系，也有人持相反的见解。旋涡星系的旋臂演化方向是旋紧还是旋松迄今也无法通过人类短期观测确认。近年来更多研究者倾向星系的分类序列与演化序列无关。 2.1 星系的起源 宇宙空间中大量星系的形成机制，主要存在由弥漫物质凝聚的星云说和由超密物质爆发的超密说两大流派。 星云说 强调初始宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，在自引力下这些物质逐渐聚集成许多大型星系云，再在星系云内诞生大量恒星（见本章2.2节）而形成星系。20世纪80年代初，天文学家已发现离我们100亿光年外存在的原始星系云，基本处于电离氢状态，其体积与银河系接近，可能为初始宇宙大爆炸后遗留下来的原始星云物质。为星系起源的星云说提供可信佐证。 超密说 强调可见宇宙大爆炸过程中抛射出许多超高密度的物质块，每个块形成一个星系。超密块爆炸从核心再向四周演化，星系核心为残留的超密块，因此爆发作用尚未止息。天文学家已发现银核是一个强射电源区（强烈辐射射电波、红外波、γ射线波等），对本假说是有力支持。 可见宇宙中星系多达500亿个左右，形态结构和规模大小各异，很可能并非由单一机制形成。星云说反映了宇宙间弥漫星云物质收缩凝聚的“合二而一”过程，超密说则体现了宇宙间物质状态的“一分为二”发展方向，很可能这两条途径都与星系形成有关。但究竟以何种方式为主，不同方式出现的条件是什么，是否还有其它成因机制等，尚待继续研究。 哈勃（1926）按星系形态结构特征，区分为椭圆星系（E）、旋涡星系（S）和不规则星系（Ir,）三大类。银河系以往认为是典型的旋涡星系，最近趋向属棒旋星系。肉眼可见的仙女座大星云附近的伴生星系则属椭圆星系，著名的大、小麦哲伦星系可能都是不规则星系。 星系的演化趋势有人强调由椭圆星系→旋涡星系→不规则星系，也有人持相反的见解。旋涡星系的旋臂演化方向是旋紧还是旋松迄今也无法通过人类短期观测确认。近年来更多研究者倾向星系的分类序列与演化序列无关。 ２.２恒星的起源与演化 现代天文学的多数假设支持恒星最初由弥漫稀薄的气体和尘埃（星云）经过凝聚、加热过程而形成，可区分为以下四个阶段。 （１）幼年期 原始星云的一部分开始进入收缩过程，推测与涡旋运动有关，很可能受到相邻超新星爆发所产生冲击波的启动。涡旋体系中心部分处于引力收缩状态，随着势能转变为热能，使温度上升。在温度还不足以启动热核反应情况下，这种收缩的气体团不发射可见光，称为原恒星（protostar）。当原恒星开始不再收缩时，核心部分氢开始点燃，出现“氢闪”，标志进入青少年期。 以中等大小的恒星（太阳）为例，此阶段约经历5000万年。质量很大的原恒星由于有较强的引力场，只需要50万年。质量只有太阳1/5的原恒星，估计寿命可达6亿年。 （2）青壮年期 原恒星核部温度上升到T≥7106K条件下，核部氢燃烧引起的热核反应开始启动，就标志着一颗恒星正式产生。由于恒星内部排斥力与自身吸引力处于基本平衡状态，进入了相对稳定的漫长演化时期。目前银河系中90的恒星都属此演化阶段。 丹麦天文学家赫茨普龙（E. Hertgsprung）和美国天文学家罗素（H.N. Russell）分别统计了恒星的光度（反映恒星质量）和颜色（反映表面温度），用纵横座标绘图时发现大部分恒星落在一条连续带上，其余的星（红巨星、白矮星）则形成独立的小群。这种图后来就称为赫罗图（H-R diagram）,图中90恒星集中出现的连续条带代表相对稳定的主要演化序列，称为主星序（mainsequence）或主序带,处于主序带内的恒星，就称为主序星（main sequence star）。 太阳作为主序星的寿命可达100亿年，现在虽“年及半百”，仍属壮年期。质量太阳20倍的恒星，处于主星序阶段的寿命只有1000万年。 3晚年期 主序星演化后期，当恒星中心10氢燃料消耗殆尽时，标志着主星序阶段的结束。恒星核部再次在引力下收缩，恒星中心密度加大，温度再次升高；同时促使恒星外壳体积膨胀，密度变稀，成为表面温度很低但光度很大的红巨星或超巨星。 在红巨星阶段，恒星内部的排斥与吸引、膨胀与收缩循环往覆，中心部分的温度逐步上升，出现了不同元素的热核反应。T≥108K时发生3个氦核聚变为1个碳核，可经历数百万年；T≥6108K时，发生2个碳核聚变为氧核，只能持续1～3万年；T≥109K时，发生氧核聚变为硅核；T3～4109K时硅核聚变为铁核。巨大恒星内部的热核反应向着重元素形成的方向发展，证明宇宙中各种元素及其同位素并非由大爆炸单一过程一次产生，而是在恒星演化的热核核聚变过程中逐步合成的。 这种元素起源与恒星演化同步的元素合成理论，最早由布尔比吉夫妇（E.M. Burbidge和G.R. Burbidge），佛罗（W.A. Fowler）和霍伊尔（F. Hoyle）于1957年提出，简称为B2FH理论。由于得到原子核物理学、天体物理学和宇宙化学的有力支持，已经成为共识。 50亿年后太阳也将变成红巨星，其直径将扩展为现在的250倍。在扩张过程中它的辐射热量将使地球上的任何生物都无法生存，这是真正的地球末日来临之时。届时地球上如果还有智慧生命存在，寻求可持续发展的唯一出路只能是向太阳系以外的类地行星中去寻觅和重建家园。 4衰亡期 恒星中心热核反应一旦出现铁元素，就进入了恒星演化的老年期。铁核的热 核反应不能释放能量，反而需要吸收大量能量，迫使恒星内核向中心猛烈塌缩，同时释放出惊人的能量，导致恒星外壳发生爆炸并使光度瞬间剧憎万倍至上亿倍，这就是著名的超新星爆发现象。当超新星“昙花一现”之后，原有的恒星倾刻塌缩为体积小而密度极高的致密星（恒星的残骸）和爆发出去的星云物质（新恒星形成的物质基础），完成了很银河系内空间物质-能量交换过程的一次循环。 质量中等的恒星（白矮星，所以寿命BC）中也见到踪迹。考古学的介入有利于延伸人类与地外文明接触的时间范围，但要排除各种巧合或多解性，还需要多方面的有力证据。 尽管存在上述种种困难和很小的可能性，但是搜索地外文明仍然是人类文明意义深远的创举。目前发达国家虽然也面临压缩航天调查经费问题，仍是多 设法在２０００～２０２０年间开展搜寻行星系和地外文明工作。 2.5 ２１世纪近地宇宙开发 1998年的世界十大科技新闻中，月球两极发现冰冻水（储量达1010t）位列榜首。70年代人类首轮登月科考中已发现月壤由于长期处于太阳风高能粒子的冲击下，其中含有丰富的3He资源。估计１km3月壤可提取１０～１００t3He，总资源量高达５０～５００万t。１t3He可获聚变能大约相当１０００亿kWh，中国１９９３年的总发电量约为８２００亿kWh,相当于８t3He即可满足。中国科学院近代物理研究所采用重离子加速器模拟太阳风注入的实验结果表明，大约在１０００℃以下就可以在月壤中释放出３Ｈe。因此，月球存在人类另一种取之不竭的清洁高效新能源。已经有人对开发月球３He资源的成本作过估算，结论是远低于相当能量的石油价格。所以２１世纪中人类开发近地宇宙（首先是月球）能进入实施阶段，登月人数估计将达到千人规模。中国科学家和技师也必将积极参与此项活动，在造福人类的伟大事业中作出应有贡献。 火星表面保存清晰的河流和大峡谷地貌，证明几十亿年前确实存在过液态水圈，但后来不知道在火星上发生什么重大事件，这些水也不知道跑到哪里去了。火星两极的白色极冠在照片上清晰可见，通过“水手号”和“海盗号”探测器的多次考察，确认极冠中既有水冰（Ｈ２Ｏ）也有干冰（固体ＣＯ２）。火星极冠面积随季节发生变化，指示火星上同样存在冷暖交替的气候波动。如果国际上新的一轮向火星发射轨道宇宙飞船和人类登上火星实地考察的计划能够实现，将是人类认识火星真面目的里程碑式成就。对于进一步开发火星以及借鉴制订保护地球环境长远规划都有重要意义。 3.１ 地球的起源和圈层分异 地球起源问题自18世纪中叶以来同样存在多种学说。目前较流行的看法是大约在46亿年前，从太阳星云中开始分化出原始地球，温度较低，轻重元素浑然一体，并无分层结构。原始地球一旦形成，有利于继续吸积太阳星云物质使体积和质量不断增大，同时因重力分异和放射性元素蜕变而增加温度。当原始地球内部物质增温达到熔融状态时，比重大的亲铁元素加速向地心下沉，成为铁镍地核，比重小的亲石元素上浮组成地幔和地壳，更轻的液态和气态成分，通过火山喷发溢出地表形成原始的水圈和大气圈。从此，行星地球开始了不同圈层之间相互作用，以及频繁发生物质-能量交换的演化历史。 正是由于地球形成以来经历过复杂的改造和变动，原始地球刚形成时的物质记录已经破坏殆尽。我们是怎样推测她已经有46亿年寿命这需要从地球自身的最老物质记录、太阳系内原始物质年龄和相邻月球演化史几方面来探讨。