现代天文学 （诺贝尔奖天文学奖项回顾） 讲授提纲

第一章，天文学的发展 1，天文学的发展历史 2，天文学的研究对象 3, 天文学和物理学的关系 4, 天文学与诺贝尔物理 学奖

1, 天文学的发展 天文学历史悠久 近代天文学发展迅速 发展余地很大 新成果还会不断出现 老结论可能被修改和推翻

天体测量学：测量天体的位置和距离 天体物理学是主流 天体力学：研究天体之间的关系 天体物理：研究天体的形态、物理 状态、结构、化学组成； 三大学科 天体测量学：测量天体的位置和距离 天体力学：研究天体之间的关系 天体物理：研究天体的形态、物理 状态、结构、化学组成； 天体的产生和演化 天体物理学是主流

天文学三大观测波段： 光学天文 射电天文 X射线和γ射线 （紫外、红外、中微子、 引力波、宇宙线） 远比人的眼睛看得远、看得广 被动接收

2，天文学研究对象 行星层次： 地球、其它八大行 星，小行星、彗星、陨星 恒星层次： 太阳及其它恒星 星系层次： 银河系、河外星系、 行星层次： 地球、其它八大行 星，小行星、彗星、陨星 恒星层次： 太阳及其它恒星 星系层次： 银河系、河外星系、 类星体、星系群、星系团 宇宙整体（可观测的宇宙）

探讨的天体 人类了解最多、能深入 地球（行星） 太阳系（行星系统） 太阳（恒星） 银河系（星系） 可以说是几个“ 孤本”，没有其它 可以说是几个“ 孤本”，没有其它 天体可以与之相比！

行星层次 地球 水星、金星、地球、火星、木星、 土星、天王星、海王星和冥王星。 小行星 彗星 陨星

行星层次研究 化（观测资料积累） 2，开普勒 发现行星三大定律 （资料分析，经验定律） 3，牛顿 万有引力定律（由天体 1，第谷： 测量天体的位置及变 化（观测资料积累） 2，开普勒 发现行星三大定律 （资料分析，经验定律） 3，牛顿 万有引力定律（由天体 运行总结出物理规律，成为天体 物理的里程碑）

太阳系研究的重大进展 托勒玫－地球中心说 哥白尼－太阳中心说 开普勒－行星运动三定律 牛顿－万有引力

太阳系行星的空间探测最热门 人类要突破只能被动观测的局限 登月和探测火星，人类对宇宙奥秘的探索是无止境的！ 有没有生命（或适合生命繁衍生存的条件）？ 有没有值得开采的矿产？ 有没有可能成为人类生活、科研 的基地？（月基天文台等）

恒星层次 1，赫歇尔等：恒星的亮度和 光谱观测（观测资料积累） 2，赫茨普龙和罗素：赫罗图 （光谱型－绝对星等） 3，爱丁顿、钱德拉塞卡等 恒星演化理论（热核聚变理论为 核心）

丰富多彩的恒星世界 正在诞生的恒星 恒星爆炸 恒星演化的归宿： 白矮星、中子星和黑洞 恒星的能源 恒星的化学成分来源 恒星的内部结构

星系层次 距离（观测资料积累） 2，哈勃：哈勃定律（宇宙在 膨胀）（经验定律）退行速 度和距离成正比 3，伽莫夫 大爆炸宇宙论（热 1，哈勃等发现河外星系＋确定 距离（观测资料积累） 2，哈勃：哈勃定律（宇宙在 膨胀）（经验定律）退行速 度和距离成正比 3，伽莫夫 大爆炸宇宙论（热 核聚变理论为核心）

银河系 银河系大得惊人（10万光年） 约有1000多亿颗恒星。 银河系外 有数十亿个河外星系 最远的距离可达150亿光年

空间尺度 地球直径 1.3×10-9光年 富星系团 107光年（千万光年） 太阳直径 1.47×10-7光年 地球直径 1.3×10-9光年 太阳直径 1.47×10-7光年 太阳系范围 1.2×10-3光年 最近的恒星 4.3×光年 银河系范围 105光年（十万光年） 最近的星系 106光年（百万光年） 富星系团 107光年（千万光年） 可测宇宙 1.5×1010光年（150亿光年）

天体空间尺度比较示意图

3，天文学与物理学相互 促进

物理学是天文学的理论基础 原子物理学、量子力学、原子核物 理学、狭义相对论、广义相对论、等 离子体物理学、固态物理学、致密态 物理学、高能物理学 相对论天体物理学；等离子体天体 物理学；高能天体物理学；宇宙磁流 体力学；核天体物理学

天体和宇宙是物理学的 巨大实验室 天文观测为物理学的基本理论 提供了地球上实验室无法得到的 物理现象和物理过程。在宇宙中 所发生的种种物理过程比地球上 所能发生的多得多。

极端物理条件实验室 如中子星：超高密、超强磁场、 超强压力和超强辐射 的空间实验室 引力实验室 等离子体实验室 超流超导实验室 高能带电粒子加速器等

天文学与物理学的相互促进 20世纪初物理学家预言： 光线在太阳引力场中弯曲 水星近日点的运动规律 引力场中的光谱红移 中子星的存在 宇宙微波背景辐射的存在 黑洞的存在

天文学观测的贡献 万有引力定律； 氦元素的发现； 热核聚变的概念； 白矮星理论 视超光速膨胀现象； 类星体、星系核、 射线暴 的能源

物理学家涉足天文学领域的研究 成为必然。天体物理学已成为物理 学的重要分支。 天文学家也密切注视物理学的发 展，希图用物理学的原理来解释我 们的宇宙的过去、现在和将来。 大多数诺贝尔奖项目的研究成果 是物理学和天文学最完美的结合。

天文学的科学模型 以观测事实为材料，以物理理论 为骨架，用数学方法黏结、连接、 构造起来的模型，用以解释天文目 标和现象。 模型允许和追求修正；也允许同 时存在多种模型，相互竞争；模型 可作出推论和预言－－接受新的实 测和理论的挑战。

4，天文学与诺贝尔奖 诺贝尔奖的颁发始于1901年 设立物理学奖、化学奖、生理学或医学奖、文学奖、和平奖共5份奖金 没有设天文学奖！

天文学的发展已对 物理学产生重大影响。 从1970年开始，已有7 项，9位天文学家获得 诺贝尔物理学奖。

20世纪60年代四大发现 1，脉冲星 证明恒星演化理论的 正确性和实现中子星的预言 2，微波背景辐射 证实大爆炸宇 宙学的预言 1，脉冲星 证明恒星演化理论的 正确性和实现中子星的预言 2，微波背景辐射 证实大爆炸宇 宙学的预言 3，分子谱线 有机分子、生命起源？ 4，类星体 大红移，几亿～百 多亿光年），能源？

和天文学密切 相关的诺贝尔物 理学奖获奖项目

1936年奥地利物理学家黑斯因发 现宇宙线而荣获诺贝尔物理学奖。 他在 1911—1912年，用气球把电 离室送到离地面五千多米的高空， （1）发现宇宙线 1936年奥地利物理学家黑斯因发 现宇宙线而荣获诺贝尔物理学奖。 他在 1911—1912年，用气球把电 离室送到离地面五千多米的高空， 进行大气导电和电离的实验，发现 了来自地球之外的宇宙线。

（2）分子谱线 汤斯 1964年因微波激射器的研制 和激光的研究获的诺贝尔奖。 他在1957年预言星际分子的存在， 并于1963年在实验室里测出羟基（OH） 的两条处在射电频段的谱线。这些分子 谱线处在厘米波和毫米波段。 1967年发现星际分子，证实他的预 言，开辟了毫米波天文学新领域。

（3）热核反应 理论研究获1967年诺贝尔物理学奖。 1938年他提出太阳和恒星的能量来 源理论，认为太阳中心温度极高，太 美国物理学家贝特(Bethe)因核反应 理论研究获1967年诺贝尔物理学奖。 1938年他提出太阳和恒星的能量来 源理论，认为太阳中心温度极高，太 阳核心的氢核聚变生成氦核释放出大 量的能量。

天文成果获奖项目 诺贝尔物理学奖 度，7项物理学奖授予9位天文学 家。 二十世纪最后的30年中天文学家 天文奖从1970年为起点在5个年 获诺贝尔物理学奖实现零的突破

1，阿尔文：瑞典天文学家太阳和宇宙磁流体力学获1970年诺贝尔奖（阿尔文波，磁冻结） 2，赖尔：英国天文学家，发明综合孔径射电望远镜获1974年诺贝尔奖 3，休伊什：英国天文学家发现脉冲星证认为中子星获1974年诺贝尔奖 4，钱德拉塞卡：美籍印度天文学家恒星演化及白矮星质量上限获1983年诺贝尔奖

5，福勒：美国天文学家，恒星上 元素的合成，获1983年诺贝尔奖 6，彭齐亚斯和威耳逊：美国天文学 家，发现宇宙背景辐射，荣获1985年 诺贝尔奖 7，泰勒和赫尔斯：美国天文学家， 发现脉冲双星和间接验证引力辐射 获1993年诺贝尔物理学奖

取得获奖成果时比较年轻 9人中，33岁以前取得获奖成果 的有6人 赫尔斯取得获奖成果时是23岁 钱德拉塞卡的最显赫研究成果在 20～23岁 应该获奖的贝尔发现脉冲星时23岁

诺贝尔奖获得者成功经验 敢于冲破传统观念 自强不息、拼搏奋进，不达目的誓 不罢休 从事当时最前沿的创新性课题 获奖项目并不是花钱最多的和条件最好的 机遇留给有准备的人

5，诺贝尔奖离我们有多远？ 9位获奖人的国籍 美国6人（包括美籍德国人和美籍 印度人各1名） 英国2人 瑞典1人 中国人无缘诺贝尔天文奖！

我国天文研究单位 1，中科院国家国家天文台 北京天文台（密云射电观测站；怀柔太阳观测站；兴隆光学观测站） 云南天文台（昆明） 乌鲁木齐天文站 2，紫金山天文台（本部；青海德林哈射电观测站） 3，上海天文台（佘山观测站） 4，陕西天文台（国家时间中心） 5，南京天文仪器研制中心

我国天文教育单位 南京大学天文系 北京大学天文系 北京师范大学天文系 中国科技大学应用物理和天文系 华中师大物理系天体物理研究所 南京师范大学物理系天体物理研究所 中国天文学会 北京天体物理中心 (北方） 南京天体物理中心（南方）

天文观测条件现状 近20年是我国天文学发展最快的时期，天文观测设备有较大的改善。2.16米口径的光学望远镜，太阳磁场望远镜，25米口径射电望远镜，28面天线的综合孔径射电望远镜，13.7米直径毫米波射电望远镜陆续建成。

差距 和国际上天文研究强国相比， 我国天文学还比较落后，研究 条件还比较差，原始性、创新 性特强的课题还太少。 我国的国力还不够强！

我国最大的光学望远镜是2.16米 的光学望远镜，但美国1917年有口 径2.54米的反射望远镜。我国最大 的射电望远镜口径是25米，但国际 上在60年代就有口径64米、76米、 305米口径的射电望远镜。 目前我国还没有一个天文卫星 上天。

20世纪最后几十年， 国际上新建天文设备平 均每年50多亿美元。

跨世纪的天文设备研制费 用： 新一代X、 设备 10多亿美元 空间红外设备 10多亿美元 新射电望远镜 10多亿美元 空间红外设备 10多亿美元 新射电望远镜 10多亿美元 11台光学望远镜 （8米口径） 10多亿美元 新一代哈勃空间望远镜 20多亿美元

21世纪天文研究特点 全波段；大样本； 巨信息量 大题大（大观测设备）做 大题小（小观测设备）做 都可以获得重要成果，我国 的中型观测设备大有可为

前景美好 北京天文台正在研制大天区多目标光纤光谱天文望远镜，这是国家科学项目 贵州500米口径射电望远镜 空间太阳望远镜 空间X射线望远镜

大型光学望远镜 正在北京天文台研制的大天区多 目标光纤光谱天文望远镜（ LAMOST） 口径为4米，大口径和大视场兼而有 之。这是国家科学工程大项目。 有望在光谱巡天方面在国际上起主 导作用。

大型射电望远镜 正在进行预研究的贵州500米 口径射电望远镜有望获得国家支持。 如果能实现，将成为国际上最大 的单天线射电望远镜。 将可以进行创新性很强的观测研 究课题。

空间望远镜 空间太阳望远镜和空间X射线望 远镜也在预研究之中。有望获得国 家支持。这两台空间望远镜具有鲜 明的技术特点。 不仅将改变我国空间天文观测的 空白，还会一举在某些观测课题上 处于国际领先地位。。

本章要求 1，对天文学三大学科、观测手段和研究 对象有概要的了解。 2，诺贝尔奖的由来，为什么天文学家能获诺贝尔物理学奖？ 思考题：（不要求写出，在本课程各章中均应思考） 1，向获诺贝尔物理学奖天文项目的 学者学习什么？