现代天文学

第二节　现代天文学

思想永远是宇宙的统治者。

——柏拉图（希腊）

20世纪以来，天文学有了突破性的进展，由现代物理学的发展和各种观测仪器的出现，导致了一系列的天文学的新发现和各种新的分支学科诞生。关天宇宙起源与演化的讨论也进入了新的时期，提出了许多引起人们关注的科学假说。其中，类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射被称为20世纪的四大天文发现。

（一）现代天文学的新发现

（1）类星体

类星体是1960年通过对宇宙“射电源”的观测和研究而发现的，这里所说的射电源是指辐射强烈的无线电波的天体。

类星体的主要物理特征是离我们地球非常遥远，体积小而辐射能量极大，有特大的光谱红移现象。据推算，类星体与我们地球的距离往往达百亿光年，有的甚至更远，它是我们迄今为止所知的最远天体。它的体积小于普通星系，而光的发射功率在普通星系的千倍以上，类星体光谱中的发射谱线存在的红移相当于很大的开普勒退行速度，根据哈勃的膨胀定律，这种巨大的退行速度意味着它们极为遥远。最早发现的类星体是1960年发现的3C48，最明亮的类星体是3C273，它们之间的距离为20亿光年，射电干涉测量发现3C273的红移值为0.158，表明它的射电核心正以接近光速的速度在膨胀。对于类星体产生这些特殊现象的原因，人们正在探索。

图6-4　引力透镜发现的一颗古老的类星体

图6-5　光谱红移

（2）脉冲星

脉冲星是1967年发现的一种的“奇异”的新天体。它以极其精确的时间间隔发出极为规则而又短促的无线电脉冲信号，脉冲的周期很短，只有1/30至4秒左右。脉冲过后几乎没有辐射，就如人隔一会儿按一下手电。有些脉冲星不仅发出射电脉冲，还发出X射线脉冲和光学脉冲。

脉冲星的主要物理特征是：密度极高；辐射能量极大；温度很高；磁场强度极强。脉冲星质量和太阳相当，体积却很小，直径只有20公里左右。因此，密度极高，每立方厘米一亿吨，它的光辐射能量极大，约为太阳的100万倍。但辐射能量中只有很小一部分是以光辐射的形式射出，所以它的光学亮度很低。它的温度很高，表面温度达到1000万度，中心温度达60亿度。它的磁场强度极强，高达1000亿高斯，是太阳的数千亿倍。

图6-6　“钱德拉”拍摄到的“鼠形”脉冲星

研究表明，脉冲星就是天文学家寻找已久的中子星。中子星高速自转，自转的周期即脉冲周期。它的表面有固定的亮斑，旋转一周，就给地球送来一个脉冲信号。中子星可以看成是恒星演化到后期的产物，因为后期的恒星热核反应已经停止，突然爆发后急剧收缩，把原子外层的电子“挤到”原子核里去，使原子核中的质子变成中子，从而形成密度极高的物质。这种物质形态称为是中子态，是人类知道的第五种物质形态。中子星的发现，进一步证明了宇宙物质的多样性，对认识恒星的演化规律及微观结构的变化规律都有重大意义。

（3）星际分子

过去，人们一般认为恒星与恒星之间的星际空间，是一无所有的真空。到20世纪40年代，天文观测中发现了氢原子、氢离子、氰基等星际物质。这可以从恒星的光谱分析中推知。因为星际物质会吸收背面来自远方的星光，在透过来的星光光谱中留下星云的吸收线，于是可以了解星云的化学成分。20世纪60年代以来，由于射电望远镜技术的提高，天文观测中发现了几十种星际分子的射电光谱线。

已发现的星际分子种类繁多，有水分子、氨分子、硫化碳、硫化羰等等。其中有机分子占近80%，而且含有一些结构复杂的共轭多键有机分子和多糖分子。有的人把那些具有复杂结构的有机分子称为生命分子。这些成就为生命起源问题的研究提供了新的材料，同时使天体演化问题与生命问题联系起来。

（4）微波背景辐射

过去，人们认为广阔的星际空间不会有背景辐射，温度只能是绝对零度。1965年的天文观测微波波段发现了一种具有热辐射性质而来历不明的辐射。由于它在太空里处处都一样，好像是恒星、星系和射电源等天体活动的背景，所以人们把它称为“背景辐射”。微波背景辐射有两个明显的特点：第一，各向同性，表明这种辐射来自广阔的宇宙空间，而不是来自某个天体；第二，相应的温度都是大约3K，故可称为3K微波辐射。这种发现对宇宙大爆炸学说是一个有力支持。该学说曾预言爆炸以后冷却至现在，宇宙空间残留的余温应该是5K，与背景辐射温度十分接近。正因为如此，该学派学者主张微波背景辐射就是宇宙原始火球爆炸的“灰烬”辐射。

（5）γ射线暴和X射线暴

1960年的天文观测中发现了γ射线源，以后又发现了多向同性的宇宙γ射线背景辐射。1973年美国核侦察卫星探测到一次γ射线爆发，其辐射强度变化极大，它每秒辐射的能量可达太阳每秒辐射总量的上千万倍，而它辐射这一巨大能量的面积却只有太阳表面积的百万分之一。1979年在太阳系中不同位置上运行的9颗人造卫星，同时记录到麦哲伦星云中的一次γ射线爆发，其辐射功率比上述事例强百万倍。

图6-7　X射线暴

美国宇航局“钱德拉”X射线太空望远镜和欧洲航天局“XMM-牛顿”X射线太空望远镜在新观测中，在一个距地球约7亿光年的星系中央，探测到了强大的X射线爆发。欧美天文学家们分析后认为，这是黑洞撕裂恒星的确凿证据。他们说，该恒星在被黑洞撕裂前，其中的气体被加热到数百万摄氏度，导致产生了X射线暴，这一过程中释放出的能量与一次超新星爆发相当。

以上新现象很受科学界的重视，因为它们与极高压、极高温、极高密度、极强磁场、极强辐射等极端条件有关。是人们进行实验的理想“天然实验室”。在这样的高级实验室里，可以了解到尚未知道的物质状态和规律。

（二）现代天文学发展的基础

现代天文学发展的基础主要有两个方面：一方面是原子物理学、原子核物理学、等离子体物理学、高能物理学、相对论引力物理学的建立和发展，为现代天文学的发展提供了有力的工具。另一方面是各种新型观测仪器的出现，为现代天文学提供了先进的技术手段。

此外，电子计算机和自动控制的广泛应用，不仅使天文望远镜能自动跟踪和寻找星体，而且能够对收集到的资料进行快速的分析和处理。

（三）新学科的诞生

（1）射电天文学

射电天文学是研究天体的无线电辐射和使用雷达技术研究行星、月球和流星等天体的学科。20世纪30年代人们在波长10～15米发现一种对无线电波的特别干扰，经过反复观测研究。断定这种干扰来自地球以外宇宙空间发出的无线电辐射，简称为射电辐射。40年代，人们又发现太阳也发出强烈的射电辐射。此后，人们开始使用无线电技术来研究天体和宇宙的射电辐射。射电望远镜的出现，使这种研究不断取得新的成果，从而诞生了射电天文学。现在，射电天文学所应用的波段是从1毫米到30米左右，这个波段的无线电辐射能够透过地球的大气压而不受到显著的吸收。

（2）空间天文学

空间天文学是在人造卫星上天后诞生的新学科。它通过使用人造卫星、探空火箭对天体的直接观测来研究天体的各种电磁辐射。空间天文学的发展很快，已先后发射的行星探测器、太阳辐射监测卫星、轨道天文台、高能天文台等，对太阳、行星、行星际物质、银河系、恒星等在早期和晚期的演化，已收集到许多资料，并有许多新的发现。

（3）高能天体物理学

高能天体物理学是高能物理学和天体物理学相结合的产物。它研究宇宙的高能现象和高能过程，包括超新星爆发、星系核爆炸、天体X射线辐射、Y射线辐射、宇宙射线和中微子过程等。

（4）等离子天体物理学

等离子天体物理学是利用等离子物理学的原理和方法研究天体等离子体的各种物理过程及其与磁场的相互作用的学科。宇宙间的物质绝大部分处于等离子状态，如地球电离层和电磁层、太阳大气、行星际空间、太阳风、星际物质等。对宇宙等离子体的研究，既有助于弄清宇宙中各种天体的形成和演化规律，也会推动等离子体物理学的发展。

（5）相对论天体物理学

相对论天体物理学是运用广义相对论的引力理论来研究天体现象的规律性的科学。爱因斯坦的广义相对论提出后，对几个关键性的检验都是由天文观测来完成的。由此便促进了相对论天体物理学的产生和发展。

进一步了解现代天文学的新发现，请登陆：

http://www.astron.sh.cn/picbase/star

【思考题】

1.类星体和脉冲星的主要物理特征是什么？

2.什么是微波背景辐射？其特点是什么？

3.什么是射电天文学？