现代天文学研究进展

第五节现代天文学的研究进展

天文学是研究天体运动、结构和演化规律的科学。20世纪以来，各门科学，特别是数学、物理学、无线电电子学和空间技术的发展，为天文学的发展创造了条件。人们在大量的观测资料和现代物理学的基础上，开始从整体上探索宇宙、天体的结构和演化。其中，现代宇宙学的发展成为现代天文学发展的最重要成果。

－、宇宙概观

（一）宇宙的概念

宇宙的观念源远流长。就字面的意义而言是指空间和时间的总和。

（二）宇宙的结构

1、银河系

2、河外星系

3、宇宙中的其他物质

4、观测宇宙

以上介绍的宇宙，可以称为观测宇宙。观测宇宙是有限的，但这并不是观测设备能力的限制所造成的。人们相信并已经证实，人们的观测宇宙不是静止不变的，而是处在不停地膨胀和演化的过程之中。

二、现代宇宙观的形成

（一）传统宇宙观及其不足

1、牛顿的经典无限宇宙观

由于牛顿力学的巨大成功，无限宇宙观念和牛顿力学体系很快占了统治地位。然而，牛顿的无限宇宙模型存在一些难以克服的矛盾。主要有以下三方面：

（１）引力佯谬也叫西里格尔佯谬

（２）热力学佯谬热寂说

（３）光度佯谬奥伯斯佯谬（夜空为什么是黑暗的）

２、爱因斯坦的有限无界静态宇宙

（二）动态宇宙观的形成

动态宇宙观即宇宙正处在膨胀之中这一现代宇宙观的形成，得益于天文观测的重要结果即星系红移现象的发现。

三、宇宙的起源和演化

（一）宇宙起源

１、宇宙大爆炸模型（ＢｉｇＢａｎｇ）

大爆炸宇宙模型最早是在20世纪40年代由伽莫夫（G.Gamov）、阿尔弗（R．Alpher）和赫尔曼（R.Herman）提出的。他们假设宇宙是在100多亿年前由一个超高温、超高密的原始火球（亦称宇宙蛋）发生大爆炸而开始的，然后经过一段从热到冷、从密到稀的演化历史，发展成今日的宇宙。现在把按照这种观点来研究宇宙中物性演化历史的学说，统称为大爆炸宇宙学。

２、大爆炸模型的天文观察证据

（１）伽莫夫的预言

（２）宇宙背景辐射的发现

（３）原初核合成问题

四、天体的起源和演化

天体是指宇宙间的各种星体。天体的起源和演化包括星系、恒星、行星三个层次天体的

起源和演化。由于星系和行星的起源和演化问题至今没有定论，需要进行更多更深入的探索，这里不作为考察的重点，着重探讨成熟的恒星演化理论。

（）星系的起源和演化

星系是比总星系低一级的天体系统，按其形状和结构的不同，可以把星系分为椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系、不规则星系四类。星系是怎样诞生和演化的，至今仍是一个谜。一般认为星系的起源跟宇宙演化有不可分割的联系。

（二）恒星的起源和演化

1、恒星的起源

恒星起源的主要问题是回答恒星由什么物质形态转化而来，然而这个问题至今没有解决。象星系起源一样，在恒星的起源问题上，也存在着两种不同的观点：星云说和超密说。

2、恒星的演化

恒星诞生后仍然处在收缩中。随着内部温度不断上升，在其中心仅开始了以氢燃烧为龙头的一系列热核反应。这些热核反应加剧了恒星上吸引和排斥这一个古老的两极对立，由此决定着恒星的演化进程并贯穿始终，推动着恒星从一个阶段过渡到另一个阶段。这些阶段是：

第一，引力收缩阶段。第二，主序星阶段。第三，红巨星阶段。第四，高密星阶段。

（三）行星系太阳系的起源

行星的起源问题很难作单独的研究，且与人类关系密切，这就有必要从整体上对行星系的起源和演化作一概述。

太阳刚形成时，自转很快，磁场很强，内部物质对流很强烈，大量物质被抛射出来，通过沙兹曼机制损失了绝大部分角动量，造成太阳的旋转变慢，角动量特殊分布。太阳形成以后，对星云盘的演化产生了很大的影响。在太阳引力垂直分力的作用下，星云盘的尘粒不断向赤道面下沉，于是在赤道面上逐渐形成一层薄薄的尘层，随着尘层密度的增大，就会因密度不匀而瓦解为粒子团，然后，粒子团的粒子经过吸积、碰撞等方式依次聚积为星子、星胎，最后形成行星。

五、现代天文学面临的问题

天文学在20世纪取得了巨大的进展，其中不仅包括对宇宙现状的一些定性的说明和解释，还有一些定量的预言被观察事实所验证。20世纪提出的宇宙大爆炸模型，由于其在各方面的成功预言，已成为科学界广泛接受的科学理论，但是关于宇宙学仍存在许多问题有待解决。

（一）暗物质问题

（二）正反物质的不对称问题

（三）微观世界与宇宙的统一