广袤无垠、浩瀚辽阔的宇宙海洋中，肉眼所见的天体，绝大多数是银河系的成员。那么，银河系就是通常所说的宇宙吗？远远不是！ 第五章 宇宙之巨 广袤无垠、浩瀚辽阔的宇宙海洋中，肉眼所见的天体，绝大多数是银河系的成员。那么，银河系就是通常所说的宇宙吗？远远不是！ 辩证唯物主义认为, 宇宙是世界的整体。 天文学上宇宙指人们所能观测到的星系和星际物质的总称。研究这个整体的物理分支是宇宙学。 目前可观测宇宙的大小约为100亿光年(1光年=光在一年内走过的距离=9.46×1015m。

16世纪前，人们只能凭肉眼看到六、七千颗星体。1539年哥白尼提出日心说，人类对宇宙的认识进了一大步。 17世纪，天文望远镜问世、开普勒三定律和牛顿万有引力定律的建立，标志人类进入掌握行星层次天体运动规律的阶段，为进入工业社会奠定了必要的科学基础。 20世纪早期，恒星演化理论的建立，标志人类对宇宙的认识进入到恒星层次。 20世纪后半叶，人类在星系层次上探索对动态宇宙的认识。在宇宙起源上，提出宇宙大爆炸模型。

§5-1 宇宙 一. 星系 银河系 太阳系 1．星系 星系是由几十亿或几千亿颗恒星及星际气体和尘埃物质组成、占据了几千至几十万光年空间的庞大天体系统。星系是组成宇宙的最基本单元。现在认识到，在宇宙中存在着数以亿计的星系。 恒星：天体中的主体，由炽热的气体组成，自身发光发热 星际物质：是恒星间的物质，包括星际气体、星际尘埃、星际磁场和高能微观粒子组成的宇宙线等。

虽然星系(比如银河系)内的恒星分布是不均匀的，但是从宇宙的大尺寸看，星系在宇宙中的分布却是比较均匀的。就是说，在能代表宇宙特征的大尺度看，物质的分布是均匀的，没有哪个星球地位特殊。 2．银河系 银河系是宇宙中一个普通的星系。银河系只是无垠宇宙中很小的一部分，在可见的宇宙范围内，已证实存在约500亿个类似银河系的星系。 第一个通过观测研究银河系的是英国天文学家赫歇耳（1738-1822）。

银河系实际是由1-2千亿个恒星组成。银河系从侧面看，分布在一个盘状区域，盘形区域称为银盘，直径约为八万五千光年。盘的中心平面称为银道面。中心凸起的区域称为核球，直径约为一万至一万三千光年，是恒星高度密集的区域。核球的中核球的中心是银核。旋臂是恒星和星际物质密集的区域。

肉眼看到的银河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，直径达十万光年。银河系除了自转以外，作为整体还朝麒麟座方向以214km/s的速度运动。 在银河系的外面还有星系，称为河外星系。天文学家终于确认，仙女座大星云是离我们最近的一个大旋涡星系，离地球250万光年。

3．太阳系 太阳系是银河系中一员，太阳系处在银盘内离银核约二万八千光年处。太阳除了自转还携带九大行星及它们的卫星以大约250km/s 速度绕着银核在半径约为三万光年的圆轨道上运行，运行一周历时2.5-3亿年。 太阳系是由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星、流星体和星际物质构成的天体系统。 （1）太阳 太阳是太阳系的中心天体，质量占太阳系总质量的99.865% 。太阳的引力控制了整个太阳系，使其它天体绕太阳公转。太阳系中只有太阳是发光恒星，其它天体主要是反射了太阳光才发亮。

（2）行星 行星是太阳系的主要成员，太阳系有九大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。除九大行星外，还有大量的小行星分布在火星和木星之间绕太阳公转，有的轨道离地球很近。小行星总数有几十万颗，但总质量只有地球的万分之四，最大的一颗是谷神星。 （3）卫星 卫星是绕行星运行的天体。已知除水星和金星外，其它行星都有卫星环绕。九大行星共有60个卫星，月球是地球的卫星。

（4）彗星 彗星的质量、密度很小，由水、氨、甲烷等冻结的冰块和许多固体尘埃粒子组成，当彗星运行到太阳附近时，彗星尾部所受的太阳光压比太阳的引力大，于是气体尘埃被推向远方形成长长的彗尾。 （5）流星体 星际空间的固体块以很高的速度（72-11km/s）闯入地球大气层，同大气摩擦燃烧发光称为流星。未烧尽的流星体坠地就是陨石。陨石按物质组成可分为石陨石和铁陨石，是人们直接获取太阳系早期物质组成信息的来源。

二. 宇宙的物质 我们通常知道的物质，如原子、分子、电子都发光，因而都看得见。如果把所有看得见的物质打散，把它们分散到宇宙中去，那宇宙的物质密度将只有银河系平均密度的10-7。质子、中子称重子，电子的质量很小， 因此看得见物质主要是重子物质。宇宙物质的数量概念是10立方米中约有2个重子。不过很可能在宇宙中除了发光物质外还存在更大量的不发光的“暗物质”。

人们发现在离星系中心很远的地方, 行星的转动速度并不下降。 这表明, 随着距离的加大, 轨道内的质量也在加大，但在远离星系中心的地方已经几乎看不到物质, 质量的增大, 只能意味着有大量看不见的物质——被称为暗物质。暗物质不发光, 不能用通常的测光的方法发现它, 但有引力作用. • 行星转动速度不慢 • 存在不发光的暗物质 星系 轨道内质量加大

三.宇宙在膨胀 波的多普勒效应： 当火车背离我们开出时，观察者感受到的波的频率低。 接收到的声波波长变长 当火车呜着汽笛朝我们开来时，观察者感受到的波的频率高 接收到的声波波长变短 恒星光谱存在红移 恒星离我们而去

设某条谱线在地球上测得的波长为λe ，地球上观测者接收到的从恒星发出的该谱线波长为λ ，两者之间有一红移相对量 Z=（λ-λe）/λe 1929年哈勃发现Z与恒星离地球的距离R成正比 Z=HR H为比例系数。可给出恒星离开地球的速度(退行速度) v与恒星离开地球的距离R成正比，即 v=HcR =H0R 式中c为光速，H0称为哈勃常数。上面两式称为哈勃定律。

哈勃定律表明，绝大多数的星系都以与它们之间相对距离成正比的速度相互远离，且距离越远，退行的速度越大。 哈勃定律虽然正确，但哈勃常数取值却不一致，原因是星系距离测定不易。 四. 宇宙的年龄 直接测量宇宙的年龄相当困难，目前用多种方法估计宇宙的年龄当大于140亿年。

设宇宙膨胀的速度为v，当宇宙的半径为R，则 便是宇宙的年龄T T=R/v =1/H0 现从宇宙膨胀观点估计一下宇宙的年龄。根据大爆炸理论, 宇宙半径 R =R(t)。倒推回去，宇宙似应起源于t=0时刻，此刻半径R (t) 趋于0。 设宇宙膨胀的速度为v，当宇宙的半径为R，则 便是宇宙的年龄T T=R/v =1/H0 H0 取5.5厘米/（秒·秒差距）-1，1秒差距=3.26光年。计算出宇宙的年龄约为1.8×1010 年，即约180亿年。 但这是假定退行速度不变时推出，由于退行速度受万有引力制动，因而一直减慢，所以宇宙年龄应比这值小。

§5-2 宇宙学略介 宇宙学是研究宇宙的形成和演化的科学。 一. 现代宇宙观 20世纪以前，宇宙是哲学家的领地——宇宙不变。 一. 现代宇宙观 对于分布在大范围中的宇宙物质(天体), 它们之间的作用力是引力。以万有引力定理为基础的牛顿引力理论, 在发现海王星、冥王星、解释潮汐现象等取得重大成就，但把它用到宇宙就会出现困难（如无法解释水星的运动规律)。

支配宇宙的动力学方程是爱因斯坦引力场方程 广义相对论的建立确立了： 支配宇宙的动力学方程是爱因斯坦引力场方程 描述宇宙物质状态的方程 支配宇宙的力是万有引力 可以确定宇宙的动力学行为

20 世纪以来诞生了新的观测手段,如射电望远镜等 宇宙的动力学行为 宇宙学不再局限于模型猜想阶段, 进入了理论预言和实验观测相互证实的阶段。 可根据宇宙的现在,研究宇宙的过去和将来 现代宇宙观认为, 宇宙是闭合、有限、无界、膨胀着的。虽然还不能从实验完全证实这点, 但人们相信这样一个宇宙终究的可能被实验证实。

宇宙有限： 是基于人类的观测能力总是有限的。 宇宙无界：“宇宙边界上的点”和“宇宙内部的点”无区别,宇宙空间中任何两个点、任何两个方向都是不可分辨的(平权的)。 宇宙有限： 是基于人类的观测能力总是有限的。 二. 3K微波背景辐射 1948年, 俄裔美籍物理学家伽莫夫首先提出, 宇宙是从一个大爆炸的火球开始的。并预言, 作为大爆炸的遗留物, 宇宙空间存在着微波背景辐射, 它应相当于热力学温度10K的黑体辐射。在很长一段时间, 很少有人认真看待他的理论。

1965年,美国贝尔实验室的彭齐亚和威尔逊安装了一台接收人造地球卫星微波信号的喇叭形天线。为了检验这台天线的低噪声性能, 他们将天线指向天空进行测量, 意外地发现, 在波长为7.35厘米处, 无论天线指向 天区何方都会收到一定的微波噪声。终于发现这是来自外空间的一种辐射, 并给出这种辐射相当于热力学温度在(3.5±1)K之间的黑体辐射,两人因此获1978年诺贝尔物理奖。

90年代, 宇宙背景辐射探索者卫星(COBE),对波长0.05--1厘米的最重要波段作了更精确的测量,也获得了证实。 因为： 类星体 大麦哲伦星云 十八万光年前的信息 几十亿、上百亿年前的信息 所以：3K微波背景辐射, 是我们所看到的最远也是最早的有关宇宙的信息。

三. 大爆炸宇宙学(宇宙学的标准模型) 根据观测事实, 人们认为, 所有的宇宙物质, 自某一时刻由空间一个小得无法形容的一点在一瞬间激胀爆炸开来。所有的物质都被抛射出去, 这些物质相互远离, 因为宇宙一直在膨胀。这就是大爆炸宇宙学的宇宙模型,也称为标准宇宙模型。标准宇宙模型是天文学及天体物理学观测以及广义相对论、粒子物理与核物理合作的结晶。哈勃红移和3K微波背景辐射说明此模型的正确。

大爆炸宇宙模型中物质的形成过程： 1. 宇宙的早期 各种粒子在宇宙刚诞生仅10-44秒时产生。在宇宙早期 (爆炸的初期), 所有的物质处在一个极小的空间范围内, 处在高温、高压、高密度的状态，温度在1000亿K左右，物质以粒子的形式存在 (质子、中子、电子、中微子、超子……)。这些粒子构成的宇宙物质处于热平衡状态。它们通过不断地碰撞而不停地湮灭(湮灭这个词可以理解为彻底消失)、产生、转化，每一个反应都有相应的逆反应。宇宙处在这一阶段的时间非常短, 还不到一分钟。

2. 氦的形成 中子 质子 大爆炸后的3分钟，由于不断膨胀，温度和密度都按比例降低。降低达1 亿K左右，中子失去自由存在的条件。到宇宙年龄为20分钟时, 宇宙物质大约已有四分之一变成氦。 质子 氘核 中子 最稳定，是宇宙早期元素合成过程中最后一种产物 氦 目前氦含量已占宇宙物质的四分之一。

我们把演化进程还原为时间表时，又会感到十分惊讶，宇宙的物质基础居然在最初的10-36 秒奠定, 各种粒子产生丰富多彩的世界居然在宇宙降生的最初三分钟打下基础(氦核形成)。其实并不难理解，宇宙早期是高温高密度状态, 粒子间的碰撞极为频繁, 在极为频繁的碰撞中实现了氦核的合成。

3. 物质为主的时期 爆炸后的100万年左右, 宇宙温度降低至4000K, 宇宙物质密度降低, 电子和质子复合形成氢原子。随着中性的氢和氦等原子的形成, 和光子碰撞的电子迅速减少, 光子可以不受阻碍地运动——热辐射不再受物质的影响, 辐射谱随着宇宙膨胀冷却到3K附近，这时宇宙物质几乎都是氢和氦。 大约在 50亿年左右,宇宙中的氢和氦凝聚成星系、恒星、行星……, 开始形成地球和人类。

宇宙物质产生的顺序： 粒子 氦核 热幅射 恒星 星系 我们大致给出宇宙演化的时间表: 140亿年前宇宙诞生. 50亿年前太阳系诞生. 40亿年前生命诞生。 250万年前人类诞生。 400年前人类提出日心说。 人类进入发达的文明时代。 到目前为止, 人类仍是宇宙中唯一已知的智慧生物。

§5-3 恒星的诞生演化及其归宿 一. 星际物质 中性氢原子是宇宙中含量最高的物质占3/4左右。观测表明, 在星际空间还存在星际尘埃。它们是直径为 厘米的固态微粒, 成分是水、氨、甲烷的冰块、二氧化硅、硅酸镁、三氧化二铁等矿物和石墨晶粒等。这些尘埃的质量约占星际物质的10%。

二. 恒星的诞生 星际物质密集成云的场所, 往往正是恒星诞生的摇篮。在转动着的旋涡星系(包括我们的银河系)的盘面,特别是在旋臂附近, 存在着许多非常年青的大质量恒星。正是形成旋臂的密度波, 压缩星际物质, 迫使星云凝聚,在被压缩的过程中, 释放出的引力势能将转变为物质动能(热能), 使凝聚物质中心(内核)的温度上升到1000万开, 足以引起热核反应, 一颗恒星就诞生了。

三. 恒星的演化 向外的压力 108K 内核的温度足以引起热核反应 恒星中心的热核反应产生向外的压力 三. 恒星的演化 向外的压力 108K 内核的温度足以引起热核反应 恒星中心的热核反应产生向外的压力 向外的压力与向内的引力平衡，恒星进入相对稳定时期 Fe Ni Co的核心 108K 氢烧完，恒星体积收缩，开始新的聚变 恒星走向衰老

恒星的最后归宿是什么，广义相对论计算表明有三种可能: 四. 恒星的归宿 恒星的最后归宿是什么，广义相对论计算表明有三种可能: M<Ms（Ms 为太阳的质量）的恒星演化白矮星。 白矮星是一类恒星，由原子态的物质组成，平均密度在105克/厘米3。 1.2 Ms<M<3.2 Ms的恒星将演变为中子星。 中子星也是一类恒星，在恒星继续收缩时，强大的压力把原子核外的所有电子都挤进原子核里，与质子结合成中子。这样星球外部的物质几乎变成由中子组成的流体，这种高密度物质称为中子态。中子态物质组成中子星。中子星的物质密度高达1015克/厘米3。

M>3.2 Ms的恒星坍缩为黑洞（一类极为特殊的天体，任何射向此天体的物体或光子都将一概被吸收，有进无出。) 1998年5月，美国巴尔的摩空间望远镜科学研究所的科学家宣布，安装在哈勃望远镜上的最新型红外摄像机拍摄的照片表明，在距地球1000万光年的半人马星座A射电源的中央，存在一个巨大的黑洞，其质量比10亿个太阳还大，它正吞噬由恒星构成的螺旋形星系。

§5-4 我们的地球 一. 地球的形成 50亿年前，一团缓慢转动的气体云，在引力的作用下逐渐向中心坍缩，稠密的核心成为最初的太阳, 周围尘粒和气体物质形成最初的太阳星云。太阳内部进行的氢核在高温高压下聚变为氦核的热核反应，提供了太阳发光发热的巨大能源。根据热核理论，太阳的寿命约为100亿年，因而太阳还可继续运行50亿年。约47亿年前，从太阳星云中开始分化出原始地球。

一开始地球表面比较冷，轻重元素浑然一体，无分层结构。原始地球有利于吸收太阳星云物质，使体积和质量不断增大。同时由于外来的冲击，内部受压缩和放射性衰变等原因逐渐变热，达到2000ºC的熔融状态。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，在几亿年时间里形成了地球的垂直结构。

地幔物质的对流是产生地磁、地热、火山、地震等活动的重要因素。 二. 构造——似鸡蛋 地幔物质的对流是产生地磁、地热、火山、地震等活动的重要因素。 地幔的最上部由坚硬的硅酸盐岩石组成，它们和地壳一起构成地球的岩石圈， 共厚约100千米，全球的岩石圈 铁质地核 地幔 地壳 分为六大板块：欧亚、美洲、非洲、太平洋、印澳和南极板块。板块边缘往往成为地震和火山活动频繁地带。

三. 九个行星中地球适合人类居住 地球内部释放的水逐渐充满了海洋，内部释放出来气体形成大气圈，随着无机物合成有机物，在生命进化的过程中，氧气增加到今天的比例，产生了高等生物。250万年前，原始人出现在地球上。 地球适合人类居住的条件： （1）日地距离及旋转周期 从行星接受太阳能的角度，日地距离是最佳距离。加上地球公转和自转的周期适当，存在四季和昼夜，地表温度均匀，平均温度为15ºC，有利于液态水的存在和万物生长。

(2)质量和体积 地球恰到好处的质量达到恰到好处的逃逸速度，使包围在地球最外层的大气得以保存。九大行星中只有地球的氧含量达21%。高空的臭氧层使来自太阳的紫外线只有1%到达地面。 （3）密度和板块运动 地球密度达5.52kg/cm3, 在九大行星中是最大的。岩石圈能贮水，岩石风化成土壤。不同圈层间发生物质-能量交换，地幔的熔融和对流，引起岩石板块的构造运动，引发地球上的造山运动，沧海桑田的变迁。

地球磁场在太阳风作用下形成的磁层可以阻挡和捕获来自太阳和其它宇宙的高能粒子，以规避危险。 （4）外来危险少 地球磁场在太阳风作用下形成的磁层可以阻挡和捕获来自太阳和其它宇宙的高能粒子，以规避危险。 四. 寻找地外生命 1.太阳系内寻找地外生命 没有液态水很难设想存在生命, 搜寻宇宙生命几乎等价于搜寻液态水。最适合探索地外生命的地方是太阳系。根据生命的必需条件，地球的近邻火星和金星是人们首选的目标，它们有着和地球相似的性质。另外土卫六、木星及其卫星也是候选地点。

（1）火星 火星是地球的近邻，它与地球相似（故称为类地行星），有大气层、两极冰帽、四季变化、自转一周期24小时37分23 秒。火星是最有条件找到地外生命的星球。20世纪60年代以后，美国先后发射“水手号”和“海盗号”宇宙探测器，对火星进行近距离的观测的着陆考察。从传回的照片看，火星是一个极其荒凉的世界，没有动物和植物。火星上没有高等生物是否有原始生命？1976年7月20日和9月3日美国发射“海盗一号”和“海盗二号”探测器在火星表面软着陆，任务之一是进行生物探测实验，但表明火星土壤中无有机分子。

没有发现生命不等于没有生命，人类没有放弃寻求火星上生命的努力。2004年1月4日、24日“勇气号”、“机遇号”又踏上火星。 （2）金星 金星离地球最近，其大小、质量和平均密度都与地球相似，也是类地行星。 金星总是覆盖一层厚厚的大气层，使人看不清它的面目。20 世纪60年代，原苏联的美国先后发射了30多个探测器，探测结果表明，金星大气层的密度是地球的100倍，大气压也高出地球90倍，成分主要是CO2，

木星及其卫星即木星系统如同一个小型的太阳系。 占95%。高浓度的CO2造成金星的“温室效应”，探测器测得其表面温度达420ºC。金星上的水全部都在大气中，高热的金星表面不允许存在液态水和含水的矿物。因而金星表面不可能有生命存在。但在金星地面上约60千米处有约20多千米层厚的云层，云中的温度和气压正好与地球表面的相似，这个范围内有可能存在生命。 （3）木星系统 木星及其卫星即木星系统如同一个小型的太阳系。 木卫一有火山活动和丰富的营造生命的热源。木卫一表面被火山物质覆盖，火山活动与生命的形成有密切关系，但木卫一上没有水。

木卫二可能含有15%或更多的水，且木卫二的表面图像暗示，至少存在间歇的液态水。在生命的必需条件中，除了水还要有驱动生物活动的能源和衍生生物的元素，这两者都存在于木卫二的海洋底部。合理的推论是木卫二上存在着或曾经有过生命。因此除火星外，木卫二似乎是寻找地外生命的最有希望之处。 木卫三和木卫四没有液态水。 木星大气中存在有机分子，在其云层中可能存在液态水。木星位于木星系统的中心，木星幅射的能量比它接受的太阳能多，这意味着它像太阳一样输出能量。但木星不是由热核反应产生能量，而是由于冷却

在引力收缩期间释放能量。这样，在生命必须的三个条件中木星具备了两个：能源和液态水。但木星是一颗液态的氢球，其液态氢层处于高温高压状态。假如木星上存在生命的话，也一定存在于大气层中。 但到目前为止，在太阳系内还未找到地外生命。 2. 太阳系之外的寻找 现代天文学的发展表明, 虽然星系(比如银河系)内的恒星分布是不均匀的，但是从宇宙的大尺寸看，星系在宇宙中的分布却是比较均匀的。就是说，在能代表宇宙特征的大尺度看，物质的分布是均匀的，没有哪个星球地位特殊。

宇宙中有数以亿计的星系, 银河系中有上千亿颗恒星，绝不可能只有地球具有智慧生命和现代文明。经过推算，银河系内约有2 宇宙中有数以亿计的星系, 银河系中有上千亿颗恒星，绝不可能只有地球具有智慧生命和现代文明。经过推算，银河系内约有2.2亿颗文明星球, 大约每500颗恒星中可能有一颗, 平均来说, 在太阳周围的500颗恒星中就没有文明星球。根据太阳附近的恒星密度，算出500颗恒星所占的空间半径约为35光年，所以最近的一个文明星球也只可能在35光年之外。这就是说即使建立无线电联系，发一个信号出去，也要在70年后才能收到回音。可见搜寻之难。

1959年，美国康乃尔大学的科可尼和莫里森的英国《自然》杂志上发表题目为《探索星际通讯》的文章，分析利用无线电波与地外文明星球进行星际通讯的可能。他们提出，星际通讯优先使用的频率应是氢的21cm射电频率。氢是宇宙中最丰富的元素每个文明社会都应能在宇宙的射电谱中发现这条谱线。 （1）奥兹玛计划 1960年，天文学家德雷克在美国国立射电天文台的射电望远镜上设计了一个专门接收装置，用来接收来自宇宙的21cm波段的信号。他称为奥兹玛计划。

德雷克选择了与太阳类似的两颗最近的恒星，鲸鱼座τ和波江座ε，进行了200小时的观测，没发现真正来自天外的人工信号。1972-1975进行第二期计划，对太阳附近的650多颗恒星观测，也没发现真正来自天外的人工信号。 1974年康乃尔大学的阿雷西博天文台，用305米射电望远镜向武仙座M31球状星团发射了脉冲信号，信号表示的是一幅全部用二进制编码的二维图像。内容包括，人类生命的基因、人体、全球的人口数、太阳系及射电望远镜等。

（2）发射无人飞船 现在已可发射无人飞船离开太阳系驶往茫茫宇宙，期待被地外生命截获。 1972年和1973年，美国发射“先驱者”10号和11号探测器，两艘飞船上都带有地球的“名片”，是用特殊处理的铝材做成，估计几亿年不会变形。1977年美国又发射了“旅行者”1号、2 号，它们都带有能播放两小时的关于地球之音的镀金铜唱片，其内录了地球最具典型意义的音像资料。 中国也提出利用贵州喀斯特地形建设大射电望远镜搜寻宇宙之音。