普通天文学期末论文

论文题目： 姓名：周若男

学号：5403212047

专业班级：ACCA121

宇宙的观测和假说

——探索神秘瑰丽的宇宙世界 摘要：宇宙世界神秘莫测，从粒子、宇宙物质、地球、月球、太阳、九大行星到太阳系、银河系、黑洞和宇宙大爆炸，科学家们仿佛一层又一层的揭开了宇宙神秘的面纱，却在欣喜的以为可以了解一个完整的宇宙后，却又发现这只不过是冰山一角。宇宙广袤无垠，我们现在所知道有太阳系，银河系，河外星系，并且通过近半世纪对河外星系的研究，不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统，而且已使我们的视野扩展到远达大约140亿光年的宇宙深处。

关键词：宇宙起源 大爆炸 太阳 九大行星 黑洞

宇宙世界神秘莫测，从粒子、宇宙物质、地球、月球、太阳、九大行星到太阳系、银河系、黑洞和宇宙大爆炸，科学家们仿佛一层又一层的揭开了宇宙神秘的面纱，却在欣喜的以为可以了解一个完整的宇宙后，却又发现这只不过是冰山一角。尽管人们在宇宙面前显得无比渺小，却无法阻止宇宙以其独特的魅力吸引着人们去不断探索它，认识它。而我所写的这篇论文就是介绍一些我所了解的关于宇宙的假说。

一、关于宇宙起源的假说（宇宙大爆炸的假说）

关于宇宙如何起源的，科学家们众说纷纭，提出了各种各样的假说。大体来说，主流假说有以下几种：

“盖天说”——是我国古代最早的宇宙结构学说。这一学说认为，天是圆形的，像一把张开的大伞覆盖在地上；地是方形的，像一个棋盘，日月星辰则像爬虫一样过往天空，因此这一学说又被称为“天圆地方说” ；

“浑天说”——认为天和地的关系就像鸡蛋中蛋白和蛋黄的关系一样，地被天包在当中。浑天说中天的形状，不像盖天说所说的那样是半球形的，而是一个南北短、东西长的椭圆球。大地也是一个球，这个球浮在水上，回旋漂荡；后来又有人认为地球是浮于气上的。不管怎么说，浑天说包含着朴素的“地动说”的萌芽；

“大爆炸说 ”—— 主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。

而其中，大爆炸假说是当今时代比较容易令人信服的假说。宇宙大爆炸理论虽然在20世纪40年代才提出，但20年代以来就有了萌芽。20年代时，若干天文学者均观测到，许多河外星系的光谱线与地球上同种元素的谱线相比，都有波长变化，即红移现象。到了1929年，美国天文学家哈勃总结出星系谱线红移星与星系同地球之间的距离成正比的规律，而他所描绘的正是一幅宇宙膨胀的图像。1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。40年代美籍俄国天体物理学家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理论——热大

爆炸宇宙学模型，宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。60年代，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙大爆炸理论的新的有力证据，他们发现了宇宙背景辐射，后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后10 ~ 43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。总的来说，大爆炸宇宙模型基于两个假设：第一是爱因斯坦提出的，能正确描述宇宙物质的引力作用的广义相对论；第二是所谓宇宙学原理，即宇宙中的观测者所看到的事物既同观测的方向无关也同所处的位置无关。并且有以下几点证据：（a）红位移；（b）哈勃定律；（c）氢与氦的丰存；（d）微量元素的丰存度；（e）3K的宇宙背景辐射。

虽然有这些证据证明宇宙大爆炸假说的成立，但仍然有一部分人反对这个假说，并且提出一些新的假说，认为如果把中国古代的宇宙学说和西方现代的宇宙观测与研究成果结合起来，应该能够产生一个更为科学的宇宙观。在不断进步的科学技术下，大爆炸理论可能被推翻，也可能被证实，而宇宙的起源这一未解之谜就交给时间来解决，相信终有一天，人类可以真正了解宇宙的来源。宇宙的来源已成为历史，而历史必定有迹可循。

二、太阳及太阳系九大行星

宇宙广袤无垠，我们现在所知道有太阳系，银河系，河外星系，并且通过近半世纪对河外星系的研究，不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统，而且已使我们的视野扩展到远达大约140亿光年的宇宙深处。但我们最熟悉的仍然是我们生活的地球，感受到的太阳、月球及被披上梦幻色彩的九大行星。

太阳是在大约45.7亿年前在一个坍缩的氢分子云内形成。太阳是一个巨大而炽热的气体星球。太阳形成的时间以两种方法测量：太阳目前在主序带上的年龄，使用恒星演化和太初核合成的电脑模型确认，大约就是45.7亿年。太阳在其主序的演化阶段已经到了中年期，在这个阶段的核聚变是在核心将氢聚变成氦。太阳没有足够的质量爆发成为超新星，替代的是，在约50亿年后它将进入红巨星的阶段，氦核心为抵抗引力而收缩，同时变热；紧挨核心的氢包层因温度上升而加速聚变，结果产生的热量持续增加，传导到外层，使其向外膨胀。从外部看，太阳将如新星般突然增亮5～10个星等（相比于此前的“红巨星”阶段），接着体积大幅度缩小，变得比原先的红巨星暗淡得多（但仍将比现在的太阳亮），直到核心的碳逐步累积，再次进入核心收缩、外层膨胀阶段，这就是渐近巨星分支阶段。太阳只是宇宙中一颗十分普通的恒星，但它却是太阳系的中心天体。

太阳系中，包含我们的地球在内的八大行星、一些矮行星、彗星和其它无数的太阳系小天体，都在太阳的强大引力作用下环绕太阳运行。太阳系的疆域庞大，仅以冥王星为例，其运行轨道距离太阳就将近40个天文单位，也就是60亿千米之遥远，而实际上太阳系的范围还要数十倍于此。其中我们最为熟知的是八大行星。在2006年8月24日于布拉格举行的第26届国际天文联会中通过的第5号决议中，冥王星被划为矮行星，并命名为小行星134340号，从太阳系大行星行列中被除名，所以太阳系由原来的九大行星变为八颗大行星。现在的八大行星按照距离太阳的远近排列分别是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。水星（Mercury）是距离太阳最近的一颗行星，体积最小的一颗行

星，也是“八大行星”中唯一一颗没有卫星的行星。水星表面昼夜温度差巨大，白昼地表温度可高达摄氏四百二十七度；而到晚上又骤降至摄氏零下一百七十三度。金星（Venus），金星是全天中除太阳和月亮外最亮的星，犹如一颗耀眼的钻石。金星是距太阳的第二颗行星，它与地球在体积、质量、密度和重量上非常相似，可以算作是地球的姊妹星。地球（Earth）是“八大行星”中的第五大行星，也是目前在太阳系甚至全宇宙唯一一颗有生命迹象的行星，地球的地质结构可分为：地壳、地幔、外地核和内地核，地壳的厚度不同，海洋处较薄，大洲下较厚。地球有一个适合生物生存的大气层。在这个大气层中氮气占78%，氧气占21%，余下的1%是其他成份。火星（Mars）在史前时代就已经为人类所知，现在由于它被认为是太阳系中人类最好的住所（除地球外），所以它受到科幻小说家们的喜爱。在过去，火星表面存在过干净的水，甚至可能有过大湖和海洋。但是这些东西看来只存在很短的时间，而且据估计距今也有大约四十亿年了。 火星上有明显的四季变化，这是它与地球最主要的相似之处。但除此之外，火星与地球相差就很大了。火星表面是一个荒凉的世界，空气中二氧化碳占了95%。木星（Jupiter）是距离太阳的第五颗行星，也是最大的一颗，体积为太阳系中其它所有行星体积总和的两倍（地球的318倍）。木星是一个巨大的气态行星。木星的中央是一个由硅酸盐岩石和铁组成的核，核的质量是地球质量的10倍。土星（Saturn）是太阳系中的第二大行星，体积仅次于木星之后，土星是最疏松的一颗行星，它的比重（0.7）比水的还要小。它与邻居木星十分相像，表面也是液态氢和氦的海洋，上方同样覆盖着厚厚的云层。土星上狂风肆虐，沿东西方向的风速可超过每小时1600公里。土星上空的云层就是这些狂风造成的，云层中含有大量的结晶氨。天王星（Uranus）是太阳系中离太阳第七远的行星，从直径来看，是太阳系中第三大行星。天王星基本上是由岩石和各种各样的冰组成的，它仅含有83% 的氢、15% 的氦、2% 的甲烷与少量的乙炔和其他碳氢化合物组成。海王星（Neptune）组成成份与天王星的很相似：各种各样的“冰”和含有15％的氢和少量氦的岩石，和土星、木星一样，海王星内部有热源－－它辐射出的能量是它吸收的太阳能的两倍多。 海王星的内部（约占整个星球的三分之二）由熔岩、水、液氨和甲烷的混合物组成。外面的一层(约占整个星球的三分之一 )是由氢、氦、水和甲烷组成的气体的混合物。甲烷赋予了海王星蓝色的外观。 海王星是一颗具有几个大暗斑的动态行星。

三、黑洞的演化过程及分类

在我看来，可以说整个宇宙最为神秘的便是黑洞，最为深不可测难以理解的也是黑洞。现下流行的时空穿越便是基于黑洞相关的理论，姑娘们所幻想的在古代与阿哥皇子来一段虐恋情深，或者男生们架空穿越成为一个大英雄，都离不开黑洞相关的理论。奈何黑洞太过神秘，它的理论太过深奥，我便只能大致介绍一下了，更深奥的东西就要自己去看相关著作了。

黑洞（Black hole）是现代广义相对论中，宇宙空间内存在的一种超高密度天体，由于类似热力学上它是完全不反射光线的黑体，故名为黑洞。于1969年由美国物理学家约翰·阿提·惠勒命名。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而“死亡”后，发生引力坍缩产生的。黑洞的质量极其巨大，而体积却十分微小，它产生的引力场极为强劲，以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界（临界点）内，便再无力逃脱，甚至目前已知的传播速度最快的

光（电磁波）也逃逸不出。黑洞无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因高热而放出紫外线和X射线的“边缘讯息”，可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹取得位置以及质量。黑洞就是中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小的奇点和周围一部分空空如也的天区，这个天区范围之内不可见。依据阿尔伯特-爱因斯坦的相对论，当一颗垂死恒星崩溃，它将聚集成一点，这里将成为黑洞，吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。

黑洞的产生过程可以简单理解：通常恒星的最初只含氢元素，恒星内部的氢原子时刻相互碰撞，发生聚变。由于恒星质量很大，聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。由于聚变，氢原子内部结构最终发生改变，破裂并组成新的元素——氦元素，接着，氦原子也参与聚变，改变结构，生成锂元素。如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至铁元素生成，该恒星便会坍塌。这是由于铁元素相当稳定，参与聚变时不释放能量，而铁元素存在于恒星内部，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出，最终形成黑洞。黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。根据黑洞本身的物理特性质量，角动量，电荷划分，可以将黑洞分为五类。不旋转不带电荷的黑洞，不旋转带电黑洞（R-N黑洞），旋转不带电黑洞（克尔黑洞），一般黑洞（克尔-纽曼黑），双星黑洞。宇宙中还存在着一些巨型黑洞和特大黑洞。

待科学家研究透黑洞后，或许我们也可以体会一次穿越时空的感觉，这是值得期待的一个科学突破，我们会了解更多关于黑洞的“真相”。

宇宙尽管我们无法了解太多，但是我们却越来越被它的魅力所吸引，不断探究它，宇宙承载着我们对科学的渴望，对未来的幻想以及对一些美好的故事的想象。人们写了关于宇宙的小说，拍了关于宇宙的电影，我们在想象着宇宙的真实模样，并不断提升科学技术去验证它。我相信，未来的某一天，即使我无法亲眼看见，但是我们一定会揭开宇宙神秘的面纱！