空间天文学研究和启示论文

浅谈天文学 摘要：宇宙中有第二个地球吗？宇宙是如何形成的？为什么地球能产生生命？玛雅人为什么会消失？天文学中的十万个为什么总能勾起人们的求知欲望！天文学是一门最古老的科学，它一开始就同人类的劳动和生存密切相关。它同数学、物理、化学、生物、地学同为六大基础学科。天文学家观测从行星、恒星、星系等各种天体来的辐射，小到星际的分子，大到整个宇宙。天文学家测量它们的位置，计算它们的轨道，研究它们的诞生，演化和死亡，探讨它们的能源机制。由于科技的不断发展，人们对天文学的定义，研究对象，研究范畴，学科分支，论研究等方面都取得了突破性的进展。天文学正朝着高、精、尖的方向发展。我们期待着天文学的进一步发展为科学事业和人们的社会生活造福。天文学是自然科学中的一门基础学科，它和人类历史同样悠久。天文学的研究内容和许多概念总是伴随着人类社会的文明和进步而不断发展的。 在望远镜发明以前，天文观测采用的是目视方法，直接观测天体在天空的视位置和视运动，另外也粗略的估计星星的亮度和颜色。17世纪以后相继有了望远镜、分光镜和光度计，不仅提高了天体位置观测的准确度，而且扩大了人们对宇宙的认识。到了20世纪，由于大口径望远镜的问世，使得人类探测宇宙的深度和广度与日俱增，不少模型、学说由观测得到证实，新天体、新发现大量涌现。20世纪30年代以后，人们越来越广泛的使用无线电方法研究天体和宇宙间的辐射，从而诞生了射电天文学。20世纪50年代人造地球卫星发射成功，人类把观测范围由地面扩展到地外空间，天文学家可以自由地探测天体的各种辐射。现代，天文空间探测已经有了长足的发展，人类不仅把望远镜送上天，而且借助太空飞行器踏上月球，或把仪器送到其他行星上进行直接观测或实验。 我一直都觉得天文学是一门很神秘的学科，对于天文学，我最感兴趣的是以下几个方面： 一、宇宙大爆炸 宇宙大爆炸(Big Bang)是一种学说，是根据天文观测研究后得到的一种设想。 大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。 比利时牧师、物理学家乔治·勒梅特①首先提出了关于宇宙起源的大爆炸理论，但他本人将其称作“原生原子的假说”。 这一模型的框架基于了爱因斯坦的广义相对论，并在场方程的求解上作出了一定的简化。描述这一模型的场方程由苏联物理学家亚历山大·弗里德曼②于1922年将广义相对论应用在流体上给出。1929年，美国物理学家埃德温·哈勃③通过观测发现从地球到达遥远星系的距离正比于这些星系的红移，这一膨胀宇宙的观点也在1927年被勒梅特在理论上通过求解弗里德曼方程而提出，这个解后来被称作弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规。哈勃的观测表明，所有遥远的星系和星团在视线速度上都在远离我们这一观察点，并且距离越远退行视速度越大。如果当前星系和星团间彼此的距离在不断增大，则说明它们在过去的距离曾经很近。从这一观点物理学家进一步推测：在过去宇宙曾经处于一个极高密度且极高温度的状态，在类似条件下大型粒子加速器上所进行的实验结果则有力地支持了这一理论。 2003 年 2 月 12 日，美国宇航局公布了探测器拍到的宇宙“婴儿期照片”，为宇宙大爆炸理 论提供了新的依据。根据这张照片科学家还精确地测量出了宇宙的实际年龄是 137 亿年。图 片中的微波光线来自宇宙大爆炸后的38万年，大约是在130多亿年前。美国宇航局的科学家说， 这张照片中可以观测到的辐射是一种电磁波，它充满了整个宇宙。电磁波里包含的微观模型信息，显示了形成星系以及我们周围一切结构的萌芽的特征。这次公开的宇宙“婴儿期照片”清晰地显示了这个遗迹的存在，有力地支持了宇宙大爆炸理论。另外， 图片还显示宇宙中最早的恒星诞生于宇宙大爆炸发生的2亿年后，比许多科学家认为的要早 得多。宇宙起初是由不断相互影响的粒子和射线所构成的一团炽热且无定形的云状物组成的：大爆炸后又过了40万年，宇宙膨胀和冷却到一定程度时，电子和质子结合成中性原子，它们再 与周围的射线相互影响。 经过科学研究，目前被绝大多数人接受的结论是：宇宙诞生之前，没有时间，没有空间，也没有物质和能量。大约150亿年前，在这片四大皆空的“无”中，一个体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始，物质和能量也由此产生，这就是宇宙创生的大爆炸。但，若真是四大皆空的状态，那么宇宙为何会爆炸？爆炸后的物质又是从哪里来的？不是说自然界的一切物质都是守恒的，那么这个宇宙大爆炸是如何无中生有的呢？ 二、黑洞 黑洞（black hole）是由一个只允许外部物质和辐射进入而不允许物质和辐射从中逃离的边界即视界所规定的时空区域。 根据第七节课影片的介绍，黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积很小、密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩到一定程度（一定小于史瓦西半径④），巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。2010年11月16日凌晨1点30分，美国宇航局宣称，科学家通过美国宇航局钱德拉X射线望远镜在距地球5000万光年处发现了仅诞生30年的黑洞。这是有史以来所发现的最年轻的黑洞。 据科学家揣测，银河系的中心是一个超巨型黑洞。超巨黑洞位于星系中心，据推测每个星系都有，质量一般约为星系总质量的。目前，关于超巨黑洞的形成主要有两种理论。一种观点认为，它可能是随着星系的诞生一次性产生的。但也有推测说，超巨黑洞是以质量更小的黑洞为基础形成的，后者就好比是一些“种子”，随着时间的推移进化成了巨型黑洞。 因为所有的能量都是守恒的，科学家们提出设想，既然宇宙中有黑洞，那么一定存“白洞”。黑洞可以用强大的吸力把任何物体都吸进去，而白洞可以把这些东西都吐出来。科学家们设想，黑洞与白洞是连在一起的，黑洞把物质吸进去，物质在里面会经过一个叫做“奇异点”的东西，然后物质就到达了白洞的“管辖范围”，会被白洞“吐”出来。然后物质就到达了另一个宇宙（第一平行宇宙到达第二平行宇宙）。但是，如果白洞存在，所有的物体将会以极快的速度离开。这会是我们这个宇宙形成的原因吗？我们是否就生活在被白洞所抛出的物质至上呢? 三、玛雅预言 关于玛雅人预言的2012世界末日是我最感兴趣的一个部分。地球上有多处迹象表明玛雅人曾经生活在这个地球上过，可是他们为什么消失了？在过去的时间里，也曾有许多关于世界末日的说法，但当所被预言的那一刻真正到来时，所有的预言就不攻自破了。那么玛雅预言也是这样吗？随着2012的渐渐来临，关于玛雅预言的有关事迹、传闻、猜测越来越多。玛雅预言受到了前所未有的关注！ 根据玛雅历法的预言传说，我们所生存的世界，共有五次毁灭和重生周期——每一周期即所谓的“太阳纪”。按照这一传说，现在我们正处在第四个“太阳纪”，而2012年左右将是“第5太阳纪”的开始；并且，当时的玛雅人认为，在每一纪结束时，都会在我们生存的家园上演一出惊心动魄的毁灭悲剧。 玛雅预言为何会受到如此多的关注呢？ 玛雅人认为一个月等于20天，一年等于18个月，再加上每年之中有5未列在内的忌日：一年实际的天数为365天，这正好与现代人对地球自转时程的认识相吻合。玛雅民族在天文学方面的成就是十分突出的。 玛雅古国有五大预言：1：玛雅文明的终结。也就是他自己的末日，自己预测到了。却改变不了。 2：汽车，飞机，火箭的出现时期。 3：大魔头（希特勒）的出生和死亡的大致时期。 4：毁灭性战争的爆发时期（一二战）。 5：2012年12月21日太阳落下以后。将不会出现。 这五大预言中的前四个都已准确的实现，如今就差世界末日这一预言。它会像前四个预言一样准确的实现吗？ 科学家对玛雅预言并不信以为然，他们首先利用玛雅历法来揭穿所谓的“世界末日”预言。玛雅历法并没有结束于2012年，因此玛雅人自己也没有把这一年当作是世界的末日。不过，2012年12月21日（冬至）肯定是玛雅人的一个重要日子。美国科尔盖特大学考古天文学家安东尼-阿维尼是一名玛雅文化研究专家。阿维尼表示，“在玛雅历法中，1872000天算是一个轮回，即年。” 玛雅人对于时间的计算比其他许多文化都要精细。阿维尼介绍说，玛雅人曾经发明了所谓的“长历法”，这种历法把最初的计算时间一直追溯到玛雅文化的起源时间，即公元前3114年8月11日。根据“长历法”，到2012年冬至时，就意味着当前时代的时间结束，即完成了年的一个轮回。长历法于是重新开始从“零天”计算，又开始一个新的轮回。阿维尼认为，“这仅仅是一个重新计时的思想，与我们每年元旦或周一早上重新开始一年或一周生活完全一样。” 也有一种这样的说法，地球环境正在遭受前所未有的破坏，2012世界末日说纯粹是为了提醒人类保护地球的重要性。最近世界总是不太平静，地震、暴雨不停侵袭着人类的家园，造成人类巨大的损失。无论2012是否真的存在，我们都应该珍惜每一天的美好生活！ 四、外星文明 茫茫宇宙中，地球上的人类建立的文明是微不足道的。因为地球文明是如此短暂，人类开始创造文明才不过几万年，发展科学技术不过几百年，探索航天技术不过几十年，这和地球年龄的46亿年、银河系年龄100亿至150亿年相比，何异于沧海一粟。因此，我始终坚信外星人是真实存在的，他们就在我们的周围，在某一个星球上，只是我们的科学技术还不够发达，我们无法发现对方。 早在19世纪，人们就在想办法和外星文明联系上。在20世纪的四分之一的时间中，我们已在不停地用电波轰击太空，现在电波在所有方向上已经传播了70光年，覆盖了数千个恒星系统。我们可以设想，某个星球上的智慧生命，现在已经打开收音机，正在收听地球上的一些流行歌曲。 目前科学家一直不懈的努力着、假设着外星人的一切，外星人居住的环境或许与地球相似，但由于大气比例不同，他们生活的星球或许比地球高温，或许比地球潮湿，或许比地球压强大。或许那个存在生物的星球的环境真的会像视频中那样，有飞鲸、跟踪鸟、气球草！ 天文学的一切以其未知性和不确定性不停的勾起人们的求知欲望。人们不停假设、不停研究，想要知道宇宙是如何形成的？黑洞究竟是怎么一回事？外星文明是否存在？外星人是什么模样？在几千年的天文研究中，我们看到了各种天文学家的努力和人类社会的进步。从他们的结论中，我们对自己、对自己居住的环境、对自己的来历有了进一步的了解。 在宇宙中，地球是一个十分年轻的生命，我们还有很长的路要走！ ①乔治·爱德华·勒梅特：1894年7月17日—1966年6月20日，比利时牧师、宇宙学家。 ②亚历山大·亚历山大洛维奇·弗里德曼：1888年6月16日－1925年9月16日，苏联数学家、气象学家、宇宙学家。现代动力气象学的奠基人之一。1910年毕业于圣彼得堡大学。 ③埃德温·哈勃：1889年—1953年，美国天文学家，第一个使用霍尔望远镜的天文学家。哈勃的研究引导了对宇宙诞生的新研究。 ④史瓦西半径：是任何具重力的质量之临界半径。1916年卡尔·史瓦西首次发现了史瓦西半径的存在，一个物体的史瓦西半径与其质量成正比。我对天文学的定义、研究方向、研究领域、研究理论以及矮行星和中子星等重要的天体有了系统的了解。它也丰富了我的知识体系，拓宽了我的知识面。我期待天文学取得更大的进展，也期待我国的科学事业的发展越来越好。

空间天文的发展大致经历了三个阶段。最初阶段致力于探明地球的辐射环境和地球外层空间的静态结构。这个时期的主要工作是发展空间科学工程技术。第二阶段开始探索太阳、行星和星际空间。第三阶段是从二十世纪七十年代起,开始探索银河辐射源,并向河外源过渡。六十年代初以来，在太阳系探索和红外、紫外、X射线、γ射线天文方面，都取得十分重大的成就。近地空间、行星、行星际空间探测 空间探测首先在近地空间、行星际空间方面取得重大突破。发现日冕稳定地向外膨胀,电离气体连续地从太阳向外流出，形成所谓太阳风。这些成就改变了原来的日地空间的概念。行星际空间探测清楚地揭示了行星际磁场的图像，天体物理学家由此而得到启示去寻找它与太阳本身的关系，并且产生研究太阳光球背景场的兴趣。这种研究获得了一种崭新的概念，从大尺度光球背景场的特性来看，这种概念与古典的巴布科克的恒星磁场理论相矛盾。这是近年来对太阳物理学的最大的挑战。行星际空间是一个天然的等离子体实验室，它提供了地面实验室条件下无法比拟的规模和尺度。太阳风作为无碰撞的等离子体，通过对行星际空间中丰富的动力学现象的观测而得到最充分的研究。行星、月球的探测主要是依靠对行星、月球作接近飞行或在上面登陆的行星探测器来进行的。很自然,最先得到探索的行星是地球。1958年范爱伦设计了地球“探险者”1号，并在1959年通过这个卫星的测量发现了范爱伦辐射带（见地球辐射带），对这一问题的继续研究又揭示了地球周围存在着一个复杂的巨大磁层（见地球磁层），这是空间探索在行星科学方面的首次重大进展。接着开始对月球和其他行星的一系列探测，在这一阶段得到很多有意义的资料，动摇了地面天文研究的许多结论。发现月球没有辐射带，也没有磁场。月面存在重力异常,月球腰部有隆起。根据放射性元素衰变的测定，月球壳层的年龄约为46亿年。金星覆盖着浓厚的大气，主要成分是二氧化碳。上层大气的云层厚度达25公里。金星的表面温度为465～485℃，表面压力约90大气压。木星则存在着惊人的强磁场，它的磁层活动强烈。行星际空间的部分高能粒子来自木星。火星的大气非常稀薄，主要成分是二氧化碳。火星上没有发现运河。火星极冠主要是由干冰而不是冰雪组成。行星际探测器“海盗”1号和2号的初步探测表明,火星根本不存在高级生物，在着陆处附近也未发现。 人造卫星发射成功以来，紫外天文探测有了新的飞跃。由于使用了装载在轨道太阳观测台卫星上的扫描式紫外分光光谱仪，获得空前丰富的紫外发射线光谱资料。这些资料具有极高的空间分辨率，对色球-日冕过渡层的物态研究颇有价值,从而为建立更精细的过渡层理论模型提供了实验依据。恒星紫外辐射研究的主要课题是一些有关恒星大气模型的问题。空间观测表明，早型星在紫外波段有强烈的紫外连续谱和共振线。这种辐射与恒星大气的模型的关系十分密切，因而可以用来研究恒星大气。晚型星的紫外辐射类似太阳，主要来自色球和星冕。最近的一些观测证实，有些晚型星存在明显的色球层或外围高温气体。这反映色球、日冕结构可能普遍存在于恒星中。紫外探测对星际物质的研究有特殊用处，因为星际物质包含有尘埃，它对不同波长的电磁辐射消光不同，这是研究星际尘埃本身的主要依据。根据大量空间观测得到的紫外波段消光的特点，人们得知星际尘埃包含有线度约为 10-6厘米的石墨尘粒。星系的紫外探测也已开始。观测证实星系存在强烈紫外辐射，并且显示出较大的紫外色余，这也许是星系中存在大量热星的表现。 六十年代初期开始的大量X射线探测，已经给我们展示了一幅与光学天文截然不同的宇宙图像。太阳X射线天文的主要贡献是弄清了太阳X辐射中的三个成分──宁静、缓变和突变成分。宁静成分的 X辐射起源于太阳色球外层和日冕区的热辐射，具有连续辐射和线辐射。缓变成分与活动区上空的日冕凝聚区有关。突变成分则和耀斑爆发或其他日面偶发性活动成协。人们常称为X射线爆发。对X射线爆发的观测和研究已经充分揭示了太阳耀斑的非热特征。它与射电微波爆发结合在一起，对建立耀斑的爆发阶段模型，以及建立耀斑区粒子加速过程模型提供了重要根据。此外，X射线冕洞的发现也是一个相当重要的事件。钱德拉X射线望远镜观测到的X射线1962年6月第一次发现来自天蝎座方向的强X射线辐射以后，在不到二十年的时间内,非太阳X射线天文也蓬勃发展起来。和其他领域相比，它的实验方法比较成熟，在空间天文中发展最快，成就最为突出。如今已发现一千多个X射线源，其中一部分已得到光学证认，它们和强射电星系、塞佛特星系、超新星遗迹有关。超新星遗迹发射稳定的X辐射引起这样一个问题：在磁场中产生同步加速辐射的高能电子从何处得到能量补偿？射电脉冲星的发现很自然地促使人们去寻找X射线脉冲星。1969年首先发现蟹状星云脉冲星NP0532的脉冲X辐射,它和对应的光学脉冲几乎有完全相同的周期。以后又发现半人马座X-3、武仙座X-1等都是著名的另一类X射线脉冲星，它们的发现对双星演化过程有非常重要的意义。非太阳X射线探测的另一个成果是,发现了几乎是各向同性的宇宙X射线背景辐射，这对天体演化的研究有重要意义。1974年以后，随着大面积探测器的出现，终于又发现了一批暂现X射线源和宇宙X射线爆发。后者具有重现性特征，极大流量达10-8～10-7尔格/（厘米2·秒），估计总功率在1038～1039尔格/秒以上,如今还没有一种理论能作出合适的说明。1977年高能天文台-A(HEAO-A)的发射，使X射线天文的视野扩展到河外天体。它已经成功地得到可能的黑洞圆规座X-1的数据。还发现星系际可能存在着热气体,它的总质量可能超过星系内恒星总质量。这意味着高能天文台-A发现了宇宙的主要成分。 过去十年，非太阳的γ 射线探测进展较快，其成就有：①证实各向同性的γ 射线弥漫背景辐射的存在。发现在数兆电子伏能区附近，光子谱存在着某种隆起，这可能与原始宇宙线粒子能谱在1015电子伏附近变陡有关。②对银道面高能γ 射线流以及它们沿银径方向的分布进行精细探测的结果，支持宇宙线起源于超新星的假设。③来自银河中心区域的γ 辐射谱中找到了若干条γ 发射线，这对研究银河中心区域的核过程提供了重要线索。④从一些射电脉冲星中记录到脉冲γ 射线流，其脉冲周期几乎与射电脉冲周期相同，而蟹状星云脉冲星可能存在着1011～1012电子伏的超高能γ 光子发射。1973年“维拉”卫星偶然探测到辐射能流可与太阳耀斑爆发相比的宇宙X射线爆发。这也许是七十年代天文学最重大的发现之一，当时轰动了高能天体物理学界。这种宇宙γ 射线爆发具有极短的光变时标、高达1040尔格的巨大能量和快速的能量释放，它迄今仍然是天体物理中最迷人的问题之一。

这个方面我知道,可以但是你没题目吗说清晰

我们所生活的地球有一个厚厚的"盔甲"，这就是厚达3000千米的大气层(但稠密的大气层仅有几十千米)，由于它的保护，人们才避免了宇宙空间飞来的流星体、一些有害的射线和粒子的侵害，它还能维持地球表面的温度。因而，这个大气层对我们来说是非常有用的。但是，这个大气层也给我们增添了不少烦恼，使我们对各种宇宙空间现象的了解受到很多限制。比如，在天文学研究的情况下，大气的干扰会引起星光的闪烁，从而用天文望远镜看：到的 星像 模糊不清,也阻碍了望远镜的放大倍率的增加(一般放大倍率不能大于1000 倍)，不少遥远、昏暗的天体也就无法勘测到：大气的反射及色散等作用，会弯曲天体的位置、形状和色彩：大气层还会吸收大部分红外线和紫外线，使人们在地面上对其进行研究相当困难；一定波段的无线电波不能穿透大气层，使得地面射电望远镜的观测范围有了局限性；而气候的改变，如下雪、刮风等，也使地面光学天文台的观测无法进行，等等。所以，天文工作者早就渴望着把天文望远镜搬到人造卫星上，在大气层外建造天文台，从而可以看到更多天体的庐山真面目。在那儿，星星不再顽皮地闪烁了，太阳光也不再发生散射现象，观测起来非常方便，随时都可以观测到太阳的日冕、日珥等现象。还有，在失重状态的人造航天器上，完全不用担心重量引起望远镜体积的变形，不论光学望远镜还是射电望远镜都可以造得很大，放大倍率也可以不断地增加。从20世纪60年代以来，世界各国发射了一系列天文卫星、行星探测器和行星际空间探测器，从而揭开了人类 进人 空间天文研究的新篇章，为研究天文学开辟了一条宽广的道路，使人类认识世界、改造世界的能力大大迈进一步。

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