《探索宇宙奥秘》课件

探索宇宙奥秘课程概述宇宙的起源与演化天体物理学基础宇宙的诞生大爆炸理论宇宙膨胀哈勃定律暗能量的作用遥远星系退行速度与距离成正比推动宇宙加速膨胀的神秘力量宇宙的组成暗物质

26.8%可见物质暗能量

4.9%

68.3%基本粒子费米子玻色子•夸克•光子•轻子•希格斯玻色子标准模型•描述粒子相互作用的理论框架四种基本力强核力最强作用力，束缚原子核弱核力负责放射性衰变电磁力负责分子形成和化学反应引力最弱但作用范围最广引力牛顿万有引力定律质量之间相互吸引的力爱因斯坦广义相对论引力是时空弯曲的结果时空弯曲引力透镜效应黑洞光线被大质量天体引力场弯曲时空极度弯曲的区域可用于观测遥远星系引力强大到光无法逃脱黑洞事件视界无法返回的临界点奇点物质高度压缩的中心时空扭曲接近黑洞时间变慢霍金辐射黑洞蒸发量子效应黑洞随时间损失质量虚粒子对在事件视界边缘产生理论预言霍金提出但尚未被直接观测星系螺旋星系椭圆星系•旋臂结构•无明显结构•银河系属于此类•老年恒星为主不规则星系•无对称形状•常为碰撞产物银河系万光年亿光年102000+26000直径恒星数量距离中心光速传播需要10万年可能多达4000亿颗太阳系位置本星系群银河系仙女座星系麦哲伦云我们的家园，棒旋星系最近的大型星系银河系的卫星星系星际物质星际气体星际尘埃•主要为氢和氦•微小固体颗粒•占星系质量的10-15%•阻挡和散射光线恒星的诞生分子云坍缩重力使气体云凝聚核心形成温度和密度逐渐升高原恒星阶段外层物质继续吸积核聚变开始中心温度达到临界点主序星氢核聚变引力平衡氢原子核合成氦放出能量辐射压力与引力达到平衡恒星分类稳定阶段按质量、亮度、温度划分恒星生命的大部分时间恒星演化主序阶段氢转化为氦的稳定期红巨星氢耗尽，外层膨胀氦闪核心开始燃烧氦行星状星云外层气体抛射，形成绚丽星云恒星的死亡黑洞大质量恒星终点中子星2中等质量恒星残留白矮星类日恒星最终归宿超新星爆发型超新星型超新星II Ia•大质量恒星核心坍缩•白矮星吸积物质超过钱德拉塞卡极限•引力崩塌产生剧烈爆炸•碳氧核心发生剧烈聚变元素的起源大爆炸核合成1氢、氦、少量锂恒星核合成从碳到铁的元素超新星核合成3铁以后的重元素中子星碰撞4金等贵金属元素行星系统原行星盘扁平旋转气体尘埃盘尘埃聚集形成岩石核心行星形成气体吸积或核心增长系统稳定轨道排列清理完成太阳辐射层核心2能量通过光子缓慢向外传递核聚变区域，温度达1500万度1对流层3热气体上升，冷气体下沉大气层5光球层包括色球层和日冕层4可见表面，温度约5500度类地行星气态巨行星木星太阳系最大行星，大红斑特征土星壮观环系，低密度气态结构天王星蓝绿色大气，极端倾斜轴海王星强风速，深蓝色大气矮行星与小天体冥王星小行星•2006年被重新分类•主要集中在小行星带•有五个已知卫星•谷神星为最大小行星彗星•冰雪尘埃混合天体•接近太阳时形成尾巴系外行星发现方法已知统计•视向速度法•已确认超过5000颗•凌日法•涵盖多种类型•引力微透镜•大多系统不同于太阳系•直接成像宜居带液态水适宜温度大气保护维持生命的关键条与恒星距离决定抵御辐射，维持温件度寻找地外生命重点关注宜居带行星暗物质观测证据候选粒子•星系旋转曲线异常•弱相互作用大质量粒子•引力透镜效应•轴子•宇宙微波背景辐射•原初黑洞暗能量宇宙加速膨胀通过Ia型超新星观测发现本质未知最大宇宙之谜宇宙学常数爱因斯坦方程中的能量项斥力性质抵抗引力，推动膨胀宇宙学原理均匀性各向同性宇宙大尺度上物质分布均匀从任何位置观测宇宙特性相同宇宙微波背景辐射宇宙的大尺度结构星系1基本天体单元星系团数十至数千星系聚集超星系团3多个星系团形成巨大结构长城结构巨大星系丝状分布宇宙空洞星系稀少区域多重宇宙理论平行宇宙泡沫宇宙•相同物理规律•多个宇宙泡相互独立•不同历史演化•不同基本常数量子多世界•每次量子测量创造新世界•分支宇宙无限增多量子力学与宇宙量子纠缠量子隧穿•粒子状态相互关联•粒子穿越能量势垒•爱因斯坦称为幽灵般的超距作用•违反经典力学预期时间与空间时空连续体时间膨胀效应长度收缩时间与空间相互关联强引力场或高速使时间变慢高速物体在运动方向变短宇宙的未来持续膨胀热寂说大撕裂星系越来越远离能量均匀分布，热死亡暗能量撕裂所有结构天文学史古代天文学巴比伦、埃及、中国、玛雅地心说托勒密体系主导一千多年日心说3哥白尼革命性观点望远镜时代4伽利略开创观测新纪元伽利略的贡献望远镜的使用木星卫星的发现金星相位首次将望远镜用于天文观测观测到四颗最大卫星证明行星环绕太阳开普勒定律第一定律行星轨道是椭圆，太阳位于焦点第二定律行星与太阳的连线在相等时间扫过相等面积第三定律轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比牛顿力学第一运动定律•惯性定律•静止或匀速直线运动第二运动定律•F=ma•加速度与力成正比第三运动定律•作用力与反作用力•大小相等，方向相反万有引力定律•F=Gm₁m₂/r²•解释行星运动爱因斯坦相对论狭义相对论广义相对论•光速恒定•引力即时空弯曲•时空相对性•预言黑洞存在•E=mc²•引力波现代宇宙学宇宙大爆炸理论宇宙起源于高密度、高温状态宇宙膨胀哈勃发现红移现象暴胀理论解释宇宙均匀性问题光学望远镜反射式望远镜折射式望远镜•使用凹面镜收集光线•使用透镜收集光线•无色差，可制造大口径•结构简单，维护方便•代表哈勃望远镜•口径受限，存在色差射电望远镜单天线射电望远镜射电望远镜阵列接收宇宙射电信号多台望远镜组合使用甚长基线干涉测量分布全球的望远镜协同工作空间望远镜射线和伽马射线天文学X钱德拉射线天文台X观测高能宇宙现象费米伽马射线空间望远镜研究最剧烈的宇宙事件主要研究对象中子星、黑洞、超新星遗迹引力波探测中微子天文学中微子特性探测方法•几乎无质量•大型水池探测器•极少与物质相互作用•超纯水中光电倍增管•携带超新星爆发信息•捕捉切伦科夫辐射太空探索深空探测探索太阳系边界载人航天空间站与未来月球基地卫星技术地球观测与通信登月计划阿波罗计划11969-1972年间6次成功载人登月嫦娥工程中国探月计划，多阶段实施阿尔忒弥斯计划3美国计划重返月球，建立月球基地火星探测年吨

920306.5成功着陆次数载人登陆目标最大探测器人类探测器成功登陆火星次数多国计划在2030年代实现毅力号火星车重量小行星与彗星探测罗塞塔任务任务OSIRIS-REx•首次彗星表面着陆•贝努小行星样本采集•探测67P/楚留莫夫-格拉希门•样本返回地球克彗星隼鸟号2•日本探测器•龙宫小行星样本返回木星系统探测伽利略号朱诺号欧罗巴快帆首个木星轨道卫星研究木星内部结构未来探测木卫二地下海洋土星系统探测卡西尼号环系研究113年土星轨道探测详细记录土星环结构土卫六生命可能性惠更斯探测器4甲烷湖泊和有机物丰富3成功着陆土卫六表面系外行星探测计划开普勒太空望远镜卫星TESS•2009-2018年运行•全天区巡天•发现2600多颗系外行星•专注邻近恒星系统•使用凌日法•寻找宜居带内行星未来的太空探索可重复使用火箭降低发射成本月球与火星基地建立永久居住点太阳系外探测星际探测器开发太空资源利用小行星采矿天文学与日常生活定位气象卫星GPS依赖相对论效应校正天气预报与灾害监测通信技术导航系统卫星电话与互联网服务北斗、GPS、伽利略地外文明搜寻计划SETI搜索外星智能文明无线电信号德雷克方程估算银河系文明数量费米悖论他们在哪里？METI主动向宇宙发送信息结语探索的意义科学前沿人类的好奇心拓展人类知识边界探索未知的内在驱动2人类未来想象力为后代开拓星辰大海激发创新与进步。