在近代物理学“基础课”中介绍宇宙学概念

目前的近代物理学基础课程包括了狭义相对论、原子物理和量子力学初步,是力学、热学、电磁学和光学的后继课程,应属于普通物理范围。宇宙学则是现代物理的前沿学科,它的基本概念和发展正日益引起人们的关注。我们认为,在近代物理基础课程中向学生介绍宇宙学的一些基本概念是很有必要的、也是可行的。 在讲授狭义相对论时,不少学生很容易把物体的速度不能超过光速推广到整个宇宙。这时我们向学生介绍宇宙学中的哈勃定律,即星系远离地球而去的速度与星系离地球的距离成正比关系:v=H_0d(其中哈勃常数H_0=150公里/秒·千万光年,d是星系离地球的距离,v是星系退行速度)。如果d≥v/H_0(c:光速)则该星系的退行速度将超过光速,它所发出的光于将不能到达我们地球。并向学生简单介绍大爆炸宇宙模型和膨胀宇宙的概念,解释夜为什么是黑的。这时,学生很容易理解夜黑是宇宙膨胀的结果。 讲授完普朗克黑体辐射后,可进一步介绍宇宙学中微波背景辐射概念。指出宇宙背景辐射谱相当于约     

怎样发现暗星系

正由于巨大质量造成的光线扭曲效应,天文学家辨认出一个主要由暗物质构成的矮星系,该星系属于一个距地球40亿光年的较大星团。该星系介于地球与另一个命名为SPD.81的更遥远星系(距离我们120亿光年)之间,遥远星系发出的无线电波在经过地球与其之间的星团时被扭曲成一个环,这就是"引力透镜"(gravitational lensing)效应。环的大小和形状有助于天文学家测量介于其间的星系的质量,大约相当于1万亿个太阳。研究者说,由于环的大小和形状不能与单个星系     

精确测定大麦哲伦星系的距离

正精确测定我们附近星系或是遥远星系的距离,对于研究宇宙的膨胀速率以及暗能量都是十分重要的。在具体操作中,天文学家使用"距离阶梯递推"的方法,测量遥远星系的距离:首先测定近处天体的距离,以此为尺子,用以测定稍远天体的距离,以此类推,最终实现距离达几十亿光年的星系的测定。Pietrzyński在Nature周刊上发表文章,宣称已经对我们银河系的最近邻星系——大麦哲伦星系的距离做出了迄今为止最高精度(2.2%)的测定。长期以来,上述距离一直是"距离阶梯"逐级延伸过程中的一个瓶颈。     

字宙观察中Lyman—a圆形斑的偏振晕圈

2000年,在一项“年轻宇宙的星系辨认”的巡天计划中,天文学家发现了两个巨大的正在发光的气体云团．两者从地球上看过去就像是两片圆形斑（blob）,它们所处的时代是：宇宙的年龄仅仅25亿岁左右,那时大部分恒星已经形成．圆形斑的范围非常之大,发光气体云的尺度要比其包围的星系尺度大100倍．     

“宇宙与生命”讲座之四——宇宙之大

我们的万物图中,标定了宇宙有大小,为137亿光年,于是一切事物都划定在一个有限的区域内了。这个数字是什么意义？怎么来的？很有必要解释一下,这是我们宇宙观的基石。137亿光年,其实只是我们今天的宇宙的“哈勃半径”,与宇宙的膨胀率有关。宇宙的尺度是随宇宙年龄的增加而膨胀的。人类的科学史观中,没有什么概念比宇宙膨胀更为重要的了,它比“一切由原子构成”的原始观念更为影响深远和更让人始料不及。我们人类居住在地球上,地球只是太阳系的八大行星之一。而像太阳这样或大或小的恒星,在银河系中有千亿个,     

早期宇宙原来十分平静

天文学家一直认为。早期宇宙是一个浑沌、风暴激烈和彼此被撕裂成碎片的星系王国，而现在澳大利亚国立大学（Australian National University-ANU）天体物理学家阿利斯捷尔·格雷厄姆博士仔细分析了距离我们约1亿光年的许多星系照片，这些照片是由“哈勃”太空望远镜上的Wide Field Planetary Camera 2照相机拍摄的．对天文学家公认的观点提出怀疑。     

伽玛射线暴决定宇宙中出现生命的可能位置

在五十亿年以前,强烈的恒星爆发可导致地球生物大灭绝,并且也会抑制其他行星上产生生命。这样,生命只能于此后在星系的边际诞生。伽玛射线暴是恒星死亡时产生的强烈辐射,它可能伤害甚至消灭数光年外行星上的生命。两位天体物理学家分析了最新天文数据,重新估计了伽玛暴影响地球生命的可能性。他们发现,在过去十亿年内一颗伽玛暴导致生物灭绝的可能性达60%。望眼地球以外,他们还发现生命更趋向于在星系的边际出现,因为那里伽玛暴不常见。五十亿年以前,频繁的伽玛暴不利于宇宙中生命的形成。     

宇宙磁场

磁场在宇宙中无处不在,贯穿各种天体。磁场对天体形成、辐射和演化起重要作用,也是宇宙线研究的基础。以前人们对宇宙磁场的理解主要是来自对地球和太阳磁场的测量和物理解释。近20年来,对宇宙更大尺度天体的磁场测量取得很大进展:发现了银河系具备沿着银河旋臂的几万光年尺度磁场,强度为2—4μG;发现了银河系晕里具有环向磁场,在银道面上下方向相反;发现了银河系中心有极向磁场的观测证据;发现了邻近旋涡星系可能具有万光年尺度磁场的证据;发现了星系团几千万光年范围内磁场存在的证据。宇宙学模拟也显示在宇宙超大纤维结构中应该有磁场存在。这些磁场可能都是宇宙早期产生并在天体形成和演化过程中得以发扬光大。     

星系的大尺度流动

研究宇宙中物质的分布和运动,历来是天文学的一个重要目标. 从本世纪二十年代开始,人们对宇宙的观察突破了空间尺度约为十万光年的银河系的界限,认识到十亿个以上类似于银河系的星系是构成宇宙的基本成员.这些星系的分布在较近的距离上虽然不大均匀,显示出成群成团的迹象,但从更大的尺度看来,却大致可以认为是均匀各向同性的. 几乎在同一时期由爱因斯坦创立的广义相对论,为从整体上研究这一体系的运动性质奠定了理论基础.1922年,俄国数学家A.Fried-mann证明,如果承认宇宙中物质分布均匀各向同性,则广义相对论场方程容许存在宇宙的膨胀解.19…     

宇宙中最早的星系

<正>天文学家发现迄今为止最遥远、最古老的星系,是一个距大爆炸仅仅7亿年的高度活跃的恒星工厂。研究者估计这个命名为z8_GND_5296、距地球131亿光年的星系产生行星的速率要比今天的银河系高百倍。这一发现已发表于《自然》(Nature),它可能已经证明恒星爆发式诞生的活跃程度超乎天     

古老星系发现宇宙间最早的氧

正根据最新的研究,一个已知最古老的星系中存在最早的氧。这个命名为SXDF-NB1006-2的巨大星团位于距地球131亿光年处,2012年被发现时曾荣膺当时已知最古老星系(这一记录后来已被刷新数次)。在发现之初,天文学家就观测到一个电离氧形成的环,来自星系恒星的辐射能量足以将该处空间原子的电子剥离。现在,来自该星系的特殊红外波长表明这里存在失去两个电子的氧原子,研究者在《科学》(Science)网络版上做了报告。因为重于氢、氦和锂的元素,都是在恒星核聚变反应中产生,然后通过超新星爆发散布到宇宙空间中     

美国“钱德拉”望远镜发现最遥远X射线流

天文学家从美国宇航局“钱德拉”X射线观测望远镜拍摄的类星体照片上 ,发现了最遥远的X射线流 ,从超巨黑洞到类星体中心延伸达 1 0万多光年的由高能粒子组成的这一射流 ,为天文学家提供了有关 1 2 0亿年前宇宙微波背景状态的信息。它能研究大爆炸后经过 1 4亿年的宇宙辐射 ,而此前最遥远的X射线流是在大爆炸后 30亿年左右。天文学家认为 ,类星体是拥有活跃中心超巨黑洞的星系 ,恒星与气体都被吸入这黑洞 ,这一吸入过程经常伴随有强烈高能粒子流的形成。当射线流中的电子以接近光速的速度离开类星体时 ,电子会穿透宇宙背景辐射“海洋” ,宇…     

莱曼α森林

直至本世纪六十年代,人类还无法探测到分布在遥远星系际空间的物质.而对这些物质的密度、成分和分布的探测对于了解星系的形成和宇宙演化都是极为重要的. 类星体及其光谱中吸收线的发现为研究星系际物质物理学提供了重要的手段.类星体是宇宙中最“明亮”的天体,因而也是可被观测到的最遥远的天体.迄今观测到的谱线红移最高的类星体.其红移值为Z=4.43,相应的到我们的距离约为宇亩半径的93%.从如此遥远天体发射的光,将通过广阔的星系际空间才能到达地球.星系际空间的物质对光的吸收.将在类星体光谱上产生一系列的吸收线.对这些吸收线的分析研…     

宇宙观察中Lyman-α圆形斑的偏振晕圈

2000年,在一项"年轻宇宙的星系辨认"的巡天计划中,天文学家发现了两个巨大的正在发光的气体云团.两者从地球上看过去就像是两片圆形斑(blob),它们所处的时代是:宇宙的年龄仅仅25亿岁左右,那时     

看到了最遥远的星系

最近,来自法国巴黎天文台的M.D.Lehnert等通过反复的光谱观察,确认了一个迄今为止最遥远的星系.这个星系位于所谓哈勃超深场(Hubble ultra deep field)天区,与地球的距离大于40亿秒差距(1秒差距=3.26光年),而红移z=8.56.这一发现打破了先前对γ射线暴(gamma-ray burst)观察所保持的z=8.2的高红移记录.值     

100亿个太阳质量的超巨黑洞

超巨质量黑洞，原本以为只存在于宇宙的早期，即与我们相距数10亿光年乃至更远的地方．最近，利用太空望远镜加上地基天文台的联合观测，科学家发现了两个超巨黑洞，它们每一个的质量都超过100亿个太阳，并且位于我们的近旁．McConnell等根据进一步的探测，研究了超巨黑洞和它的宿主星系共同演化的过程，结果已经发表在Nature周刊上．     

探测宇宙原初氢原子的重新电离

在宇宙大爆炸的40万年之后,宇宙的充分冷却使得原初氢原子得以形成,这些氢原子充满了早期的宇宙.再经过数亿年,第一批恒星以及星系形成,它们产生紫外辐射,进而将原初氢原子电离成电子和质子.这一过程被称为重新电离,标志着成年宇宙的一次相变.相变何时产生?持续的时间有多长?     

星系团打破距离记录

天文学家发现了一个距地球约1 3万2千亿光年的星系团.这是迄今为止所观察到的最遥远的星系团.由这个叫做Abell1 835IR1 91 6的星系团发出的光线,提供了有关宇宙在只有现今年龄的3%时的信息.这种光线是在大爆炸后约4 .7亿年时发出的,因而能够告诉我们更多的关于早期宇宙的“黑暗     

从暴胀论到纹理新说

 一、宇宙观测新发现 在过去一个长时期里,人们普遍认为星系在广阔的天空中分布成均匀的闪烁光点。可是事实不然。近几年来,天文学家极目观察最遥远的宇宙区域,发现宇宙的总体结构实际上是群集的;它们聚集成层块,层块结集成板片,板片又挨次卷曲成泡状空心球,球的直径长达3亿光年;空心球又垒在一起成了被称为“宇宙泡沫”的东西,充斥于宇宙。     

遥远行星上的超级风暴

<正>天文学家最近观察到150光年远处的一颗行星上刮起了时速高达1万千米的炽热风暴。这一切源于它过分靠近主恒星,并围绕其同步旋转。该行星编号为HD 209458b(如图),它与主恒星的距离是水星到地球距离的1/8,远比水星距太阳近得多。