[教学设计]宇宙起源

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1、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。白古以来，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奧秘。16世纪前人们只能凭肉眼见到六、七千颗星体，著名的银河（M订kyWay）仅是一条乳白色亮带。在当吋条件下，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A阳系内天体运行的现象，解决了人类的授吋和编历问题，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世纪是人类认识宁宙的一次重要飞跃期。犬文望远镜问世、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

2、代奠定必要的科学基础。20壯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、丫射线）和150亿光年左右吋空尺度。观察地点发展到U2髙空侦察机、哈勃太空望远镜、宇宙探测器和人类登力，避免了地球大气干扰和局限。理论方面有宇宙人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边向知识经济时代的转变相

3、适应。⑴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，肓径&5万光年（1光年=94600X10*2,中央呈近似球形隆起的部分称为核球，肓径1-1.37；光年，厚约1丿j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犬球上的投影。银盘外围被恒星密度很稀的扁球状银晕所包围，总径达到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。旋臂是银河系小恒星和际物质的密集部位。太阳是银河系众

4、多恒星中的普通一员，它位于银盘屮心平面（银道面）附近和一条旋臂（猎户朋旋臂）的内缘，距银核约2.7万光年处。⑵太阳在银河系内的运动银河系的旋涡结构反映了口身存在口转运动，也就是银河系小的恒星、星云和星际物质都绕银核旋转。太阳绕银核旋转的速度为250km/s,旋转一周约2.5飞亿年，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。冇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牛在银道而上下的往复波动，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

5、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⑴银河系的运动和河外星系银河系除存在白转外，同时整体以214km/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宁宙空间中存在500亿个类似银河系的恒星系，它们自身直径也达十丿j光年左右，离银河系则有几十亿至上百亿光年Z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(worldisland)o⑵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

6、10冷量级。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10%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午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口不同

7、星系的光呈现某种系统性的红移现象。根据星系屮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，离我们而左的速度也越快”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Z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冇不少蓝移现象，反映星系内部仍