天体物理学论文

浅论天文 天文学历史 天文学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代。远古时代，人们为了指示方向、确定时间和季节，而对太阳、月亮和星星进行观察，确定它们的位置、找出它们变化的规律，并据此编制历法。从这一点上来说，天文学是最古老的自然科学学科之一。 古时候，人们通过用肉眼观察太阳、月亮、星星来确定时间和方向，制定历法，指导农业生产，这是天体测量学最早的开端。早期天文学的内容就其本质来说就是天体测量学。从十六世纪中期哥白尼提出日心体系学说开始，天文学的发展进入了全新的阶段。此前包括天文学在内的自然科学，受到宗教神学的严重束缚。哥白尼的学说使天文学摆脱宗教的束缚，并在此后的一个半世纪中从主要纯描述天体位置、运动的经典天体测量学，向着寻求造成这种运动力学机制的天体力学发展。 十八、十九世纪，经典天体力学达到了鼎盛时期。同时，由于分光学、光度学和照相术的广泛应用，天文学开始朝着深入研究天体的物理结构和物理过程发展，诞生了天体物理学。 二十世纪现代物理学和技术高度发展，并在天文学观测研究中找到了广阔的用武之地，使天体物理学成为天文学中的主流学科，同时促使经典的天体力学和天体测量学也有了新的发展，人们对宇宙及宇宙中各类天体和天文现象的认识达到了前所未有的深度和广度。 天文学就本质上说是一门观测科学。天文学上的一切发现和研究成果，离不开天文观测工具——望远镜及其后端接收设备。在十七世纪之前，人们尽管已制作了不少天文观测仪器，如中国的浑仪、简仪，但观测工作只能靠肉眼。1608年，荷兰人李波尔赛发明了望远镜，1609年伽里略制成第一架天文望远镜，并作出许多重要发现，从此天文学跨入了用望远镜时代。在此后人们对望远镜的性能不断加以改进，以期观测到更暗的天体和取得更高的分辨率。1932年美国人央斯基用他的旋转天线阵观测到了来自天体的射电波，开创了射电天文学。1937年诞生第一台抛物反射面射电望远镜。之后，随着射电望远镜在口径和接收波长、灵敏度等性能上的不断扩展、提高，射电天文观测技术为天文学的发展作出了重要的贡献。二十世纪后50年中，随着探测器和空间技术的发展以及研究工作的深入，天文观测进一步从可见光、射电波段扩展到包括红外、紫外、X射线和γ射线在内的电磁波各个波段，形成了多波段天文学，并为探索各类天体和天文现象的物理本质提供了强有力的观测手段，天文学发展到了一个全新的阶段。而在望远镜后端的接收设备方面，十九世纪中叶，照相、分光和光度技术广泛应用于天文观测，对于探索天体的运动、结构、化学组成和物理状态起了极大的推动作用，可以说天体物理学正是在这些技术得以应用后才逐步发展成为天文学的主流学科。 人类很早以前就想到太空畅游一番了。1903年人类在地球上开设了第一家月亮公园。花50美分就能登上一个雪茄状、带翼的车，然后车身剧烈摇晃，最后登上一个月亮模型。 同一年，莱特兄弟在空中哒哒作响地飞行了59秒，同时一位名为康斯坦丁·焦乌科夫斯基、自学成才的俄罗斯人发表了题为《利用反作用仪器进行太空探索》的文章。他在文内演算，一枚导弹要克服地球引力就必须以1．8万英里的时速飞行。他还建议建造一枚液体驱动的多级火箭。 50年代，有一个公认的基本思想是，哪个国家第一个成功地建立永久性宇宙空间站，它迟早就能控制整个地球。冯·布劳恩向美国人描述了洲际导弹、潜艇导弹、太空镜和可能的登月旅行。他曾设想建立一个经常载人的、并能发射核导弹的宇宙空间站。他说：“如果考虑到空间站在地球上所有有人居住的地区上空飞行，那么人们就能认识到，这种核战争技术会使卫星制造者在战争中处于绝对优势地位。 1961年，加加林成为进入太空的第一人。俄国人用他说明，在天上飞来飞去的并不是天使，也不是上帝。美国约翰·肯尼迪竞选的口号是“新边疆”。他解释说：“我们又一次生活在一个充满发现的时代。宇宙空间是我们无法估量的新边疆。”对肯尼迪来说，苏联人首先进入宇宙空间是“多年来美国经历的最惨痛的失败”。唯一的出路是以攻为守。1958年美国成立了国家航空航天局，并于同年发射了第一颗卫星“探险者”号。1962年约翰·格伦成为进入地球轨道的第一位美国人。 许多科学家本来就对危险的载人太空飞行表示怀疑，他们更愿意用飞行器来探测太阳系。 而美国人当时实现了突破：三名宇航员乘“阿波罗号”飞船绕月球飞行。在这种背景下，计划在1969年1月实现的两艘载人飞船的首次对接具有特殊的意义。 补充回答： 20世纪的80年代，苏联的第三代空间站“和平”号轨道站使其航天活动达到高峰，都让美国人感到眼热。“和平”号被誉为“人造天宫”，1986年2月20日发射上天，是迄今人类在近地空间能够长期运行的唯一载人空间轨道站。它与其相对接的“量子1号”、“量子2号”、“晶体”舱、“光谱”舱、“自然”舱等舱室形成一个重达140吨、工作容积400立方米的庞大空间轨道联合体。在这一“太空小工厂”相继考察的俄罗斯和外国宇航员有106名，进行的科考项目多达万个，重点项目600个。 在“和平”号进行的最吸引人的实验是延长人在太空的逗留时间。延长人在空间的逗留时间是人类飞出自己的摇篮地球、迈向火星等天体最为关键的一步，要解决这一难题需克服失重、宇宙辐射及人在太空所产生的心理障碍等。俄宇航员在这方面取得重大进展，其中宇航员波利亚科夫在“和平”号上创造了单次连续飞行438天的纪录，这不能不被视为20世纪航天史上的一项重要成果。在轨道站上进行了诸如培养鹌鹑、蝾螈和种植小麦等大量的生命科学实验。 如果将和平号空间站看作人类的第三代空间站，国际空间站则属于第四代空间站了。国际空间站工程耗资600多亿美元，是人类迄今为止规模最大的载人航天工程。它从最初的构想和最后开始实施既是当年美苏竞争的产物，又是当前美俄合作的结果，从侧面折射出历史的一段进程。 国际空间站计划的实施分3个阶段进行。第一阶段是从1994年开始的准备阶段，现已完成。这期间，美俄主要进行了一系列联合载人航天活动。美国航天飞机与俄罗斯“和平”号轨道站8次对接与共同飞行，训练了美国宇航员在空间站上生活和工作的能力；第二阶段从1998年11月开始：俄罗斯使用“质子－K”火箭把空间站主舱——功能货物舱送入了轨道。它还担负着一些军事实验任务，因此该舱只允许美国宇航员使用。实验舱的发射和对接的完成，将标志着第二阶段的结束，那时空间站已初具规模，可供3名宇航员长期居住；第三阶段则是要把美国的居住舱、欧洲航天局和日本制造的实验舱和加拿大的移动服务系统等送上太空。当这些舱室与空间站对接后，则标志着国际空间站装配最终完成，这时站上的宇航员可增至7人。 补充回答： 美、俄等15国联手建造国际空间站，预示着一个各国共同探索和和平开发宇宙空间的时代即将到来。不过，几十年来载人航天活动的成果还远未满足他们对太空的渴求。“路漫漫其休远兮，吾将上下而求索”，人类一直都心怀征服太空的欲望和和平利用太空资源的决心。1998年11月，人类第一个进入地球轨道的美国宇航员、77岁的老格伦带着他未泯的雄心再次踏上了太空征程，这似乎在告诉人类：照此下去，征服太空不是梦。

2020年的夏天，位于夏威夷毛伊岛，哈雷阿卡拉火山的泛星计划望远镜，突然探测到大量的辐射，这些辐射的发射源，来自距离地球大约亿光年的 NGC5731星系。一颗即将走完生命进程的红超巨星，正在猛烈的喷射气体，几个月之后，2020年的秋天，一颗超新星照亮了天空，科学家们将其命名为超新星2020TLF。这是有史以来，天文学家们第一次实时见证，红超巨星走向超新星爆发的全过程。 说到超新星，如果光看名字，大家可能会觉得超新星是一种星体，其实呢，它只是恒星在演化接近末期时，所经历的一种剧烈爆炸，亮度非常耀眼，咱们一会儿详细说。而红超巨星的前身就是恒星。 可能有朋友会担心，我们太阳系这颗大恒星太阳，会爆炸成为超新星吗？太阳未来的命运又会如何呢？到时候我们这个美丽的家园地球是不是也会被牵动？ 爱好天文的朋友，说不定还会担心离我们很近的参宿四。因为参宿四也曾出现过异动，难道他也要超新星爆发了吗？今天啊，我们就来和大家聊聊这些问题。我们先从恒星的诞生开始说起，所有的恒星都会在一个巨大的星云之中诞生，星云有多大呢？典型的星云直径大约是100光年，其中包含的质量，大约是太阳质量的600万倍。当这个星云由于各种原因发生碎裂之后，它就会分裂成越来越小的碎片。大量的低温气团，因为自身重力开始收缩，密度升高，重力势能就转化成为了热能，从而释放出大量的热量，于是最后的碎片，凝聚成为超热的气体--旋转球，这叫原恒星。 如果要是按照人的一生来计算，恒星大概就是处于初期，就如同婴儿刚刚降生一样。之后呢，这个恒星婴儿就进入了成长阶段，它在星云中继续吸引和积累星际气体和星辰。一般来说，和太阳同等质量的恒星，这个成长过程大约要花上10万年左右。之后原恒星就会根据他的最终质量，演化成为不同的星体。质量特别小的原恒星，像是质量少于个太阳质量的，就会变成棕矮星。棕矮星呢，挺尴尬的，因为它太大了，我们不能称之为行星，但是又太小了，我们就不能称其为恒星，它发出的光也是比较暗淡的，他们在数亿年的时间中逐渐的冷却，然后就慢慢的消失在了可见光当中。 然而质量比较大的那一些，比如在八个太阳质量之内的那些原恒星，就将变成低质量恒星，质量更大的，就会成为大质量恒星，而这两者的未来发展也会大不相同。 这个阶段恒星处于稳定时期，同样放在人的一生中，那就相当于是青春期过程中，也被称为主序星。通常来说，一颗恒星将会在主序阶段度过他的大部分生命。在恒星的整个生命中，支撑它的能量就是氢。质量越大的恒星，氢消耗的速度也就越快，所以呢，生命也就越短。按照现在科学界的推算，太阳这样的恒星大约有100亿年的生命，现在估计太阳大约有45亿年了，所以应该说太阳是正处在壮年期吧。 那么如果再过50亿年，太阳会变成什么样呢？ 按照现有的理论来推演的话，太阳的颜色会由现在的黄白色变得越来越红，而体积呢，也会越来越大，最后直径可以达到现在的256倍，变成一颗红巨星。到时候近日行星，包括水星、金星、地球都会被太阳一口吞下，不过地球上的人类，恐怕无法看到这一天了，因为科学家们预计，从现在开始，大约过30亿年之后，地球的表面将会变得如同金星一样高热，再过几十亿年之后，地球的空气都会向外太空不断逸散，最后变成一颗焦黑的行星。也就是说，等不到地球被太阳吞掉，人类就已经无法在地球上生存了。也就是这样，现在才有那么多人一直喊着星际移民。 我们再回到太阳这儿，当太阳变成了红巨星之后，在最终耗尽了所有的燃料之后，星体就会不断地向内塌缩，最后变成一颗白矮星。白矮星的密度非常非常大，一颗与太阳一样中的白矮星，它的半径大约只有太阳的1%。再形象一点说，一勺白矮星物质，它的质量大约有吨重，比一头最重的亚洲象还要重。那之后呢，在太阳系这样的单恒星系中，变成白矮星的恒星，最终的命运就是耗尽了所有的能量。之后，身体会变得冰冷而又黑暗，成为黑矮星。但是宇宙中的星系，大多是菱星星系，就是说有两颗或者是更多颗的行星，相互环绕的这么一种星系，比如天狼星的双星系统。 如果说在这样的星系当中，其中一颗主恒星变成了白矮星，那么它就会吸收伴星的能量，吸收过来的能量会变成气体，被拉到白矮星周围的一个大圆盘上，随后这些气体就会围着白矮星进行旋转，旋转过后，这种气体也会慢慢发热，随后，将会落到白矮星之上。 如果说这颗白矮星的质量变得越来越大的话，就有可能达到它的质量极限了，也叫钱德拉塞卡极限，这个极限大概是太阳质量的倍，超过这个质量极限之后，白矮星就会进一步塌缩，会变成密度更大的中子星，这个过程就是惊天动地的了，为什么呢？因为白矮星会发生超新星爆炸，放出大量的电磁辐射，发出耀眼的光芒，这个光的明亮程度，甚至超过整个大星系的亮度，这个过程可能会持续几周到几个月，甚至几年才会逐渐的衰减。那么这个过程到底释放了多少能量呢？ 科学家们认为，一颗超新星所释放的辐射能量，和太阳在其一生中的辐射能量总和相当，而超新星的爆炸也有很多，像我们刚才说的，白矮星因为质量超过了界限，所发生的爆炸被称为IA型超新星，它有什么特别之处吗？ 因为它们都是白矮星在同一个质量点爆炸的，因此呢，爆炸的威力和光度基本一致，也就相当于是一个衡量标准了，相当于是一颗准星，天文学家们把他们叫做标准烛光。 然而每一颗白矮星释放的能量和光度也不同，如果和准星进行比较，那么科学家们就可以测量出宇宙天体的距离了，也就是说通过测量不同星系中的IA型超新星，就能知道这个星系离我们有多远。超新星爆发除了白矮星带来的这种形式，还有另一种就是我们刚介绍的，由红超巨星直接爆炸而成。刚刚我们说到，恒星在进入老年期之后就会变成红巨星，而如果恒星是质量很大的大质量恒星，它就会变成红超巨星，质量再大的就叫红特超巨星。 红超巨星和红特超巨星带来的超新星爆炸，可以说更可怕，因为这不仅会产生中子星，甚至还会炸出黑洞。 先来说中子星，它可以说是非常神秘的星体，密度超级超级大，它的内部已经没有什么电子原子核了，因为压力超大，不仅原子的外壳被压迫了，而且连原子核都能被压迫，质子和中子都被挤出来了，质子碰到垫子又结合成中子，就这样整个星体当中就只剩下中子。中子星的密度是每立方厘米十亿吨，我们可以打个比方，就好像是把喜马拉雅山压成了一块方糖那么小。中子星的旋转速度非常快，两个磁极放射极强的辐射，辐射所到之处几乎没有生命能够存活，由于有的中子星，磁轴和自转轴不是重合的，所以磁场旋转的时候所产生的无线电波等各种辐射，就可能会以一明一灭的方式传到地球这，就好像是灯塔一样，一闪一闪的，这也被称为脉冲星。 大家注意一下，不是所有的中子星都是脉冲星，有的中子星是没有脉冲的，同样，也不是所有的脉冲星都是中子星，因为有的白矮星也会这样一闪一闪的。据说脉冲星刚刚被发现的时候，人类还以为这是外星人传来的信号，后来大家发现是我们想多了。 如果中子星继续吸收，质量不断塌缩的话，就会超过奥本海默极限，然后，就会产生黑洞。而如果进行超新星爆炸的红超巨星的质量，超过太阳质量的20倍的话，那么它爆炸之后也极有可能直接产生黑洞。很多朋友知道，黑洞像是宇宙中存在的一种怪兽，它周围的时空极度扭曲，而且拥有极端强大的引力，以至于所有的粒子，甚至光这样的电磁辐射都不能逃走。一份最新发表在天体物理学期刊的论文显示说，根据研究模型的推算，我们这个可见宇宙中，有大约四千亿个黑洞，也就是四乘以十的19次方这么多。 等到黑洞一旦形成了，他就可以通过吸收周边的物质来继续生长。科学家们发现，黑洞的质量基本上是处于两个极端，一类是恒星质量级别的黑洞，这类黑洞的质量大约是太阳的十到24倍，另一类是超级黑洞，各个星系的中心都盘踞着一个这样的超级黑洞，质量可以达到太阳的数百万倍直到数十亿倍。超级黑洞的形成原因，目前还是个谜，不过有天文学家发现了黑洞的合并行为，因为他们推测，黑洞有可能是通过吸收其他的恒星，或者是其他的黑洞合并的方式，而形成超级黑洞。 不过说实话，如果每个星系中心的黑洞，都是这样形成的，那这整个过程该有多漫长呢？ 那么在我们这个银河系当中，有没有会发生超新星爆炸的候选者呢？有！那就是位于猎户座肩部的参宿四。参宿四是一颗明显的红色亮星，也是在夜空中最容易认出的恒星之一，它距离地球有640光年那么远，质量是太阳的12倍，半径约是太阳的900倍，体积呢？约是太阳的7亿倍。如果把参宿四搬到太阳的位置上，它是可以将木星吞噬的。然而参宿四很年轻，只存在了一千万年左右，但是大家还记得我们之前说的吗？恒星的体积越大，寿命也就越短，对吧？所以呢，参宿四早就燃烧完核心里面的氢了，现在他已经进入了变成超新星的第一步，也就是变成红超巨星。 而2019年底到2020年初，参宿四的明亮度还一度降到了 历史 最低点。当时有人觉得，这很有可能是参宿四要超新星爆炸的前奏，于是当时不少人因此陷入了恐慌，为什么呢？ 刚刚咱们说了，超新星爆炸所释放出来的辐射能量非常非常强，它形成的中子星也好，黑洞也好，都会释放出超强的辐射。如果说这次爆发离地球很近的话，那么就很有可能会破坏地球的大气层。 天体物理学研究团队指出说，在3亿5900万年前，也就是在泥盆纪末期，地球遭遇了最大规模之一的物种灭绝事件，而这次事件很有可能，就是太阳系外的超新星爆发所造成的。如果参宿四发生超新星爆炸的话，会不会给人类带来再一次的生物灭绝呢？ 就在大家的各种猜测、疑惑研究当中，2020年4月，参宿四突然恢复了原来的亮度，大家更奇怪了，在他身上到底发生了什么呢？后来，一份发表在自然杂志上的论文揭开了参宿思的变暗之谜。研究团队认为，参宿四在这次大幅度变暗之前的某一个时刻，这颗恒星在向外脉动的时候，喷出了一个巨大的气泡，这个气泡离他很远。不久之后，参宿四表面的一块区域就冷却下来了，温度也降下来了，甚至足以让气体中的重元素凝结成为固体尘埃，也正是这些尘埃的形成，导致参宿四看起来像是变暗了，原来是虚惊一场。 不过呢，参宿四已经注定是会进行超新星爆炸的，关键是在什么时候，这就得看他的核心目前是在燃烧什么物质了，是氦还是碳还是硅呢？因为，当它核心的可聚变材料耗尽了，只剩下了铁、镍和钴的时候，参宿四才会爆炸。 一个研究小组通过恒星演化、流体力学和数学建模分析了参宿四，得出了一个结论，他们认为参宿四正处于燃烧氦的阶段儿，这么说来，参宿四至少还可以存在个100万年。而且即便参宿四真的爆发了，大家也不用担心，因为参宿四的自转轴与太阳系方向依然有30多度的差异。而这就意味着磁极发射的超强射线是不会射向地球的，所以呢，担心参宿四引发生物大灭绝的朋友可以安心下来了。好了，今天的故事就到这里，喜欢的朋友点个关注，我们下期见。