1、第二节宇宙的起源和演化2一、一些相关知识一、一些相关知识1.电磁波 静电场 电荷变化电场电量变化临近区域变化磁场较远区域新的变化电场更远区域新的变化磁场变化的电场和磁场交替产生，由近及远，以有变化的电场和磁场交替产生，由近及远，以有限的速度，在空间的传播过程，称为电磁波。限的速度，在空间的传播过程，称为电磁波。5二、目前所认识的宇宙二、目前所认识的宇宙1.宇宙宇宙星系星系恒星恒星每个星系每个星系几十亿几十亿几千亿颗几千亿颗气体尘埃气体尘埃尺度尺度150亿光年，亿光年，年龄年龄100150亿年亿年总星系物质及运动分布，在统总星系物质及运动分布，在统计上是均匀的，各向同性的计上是均匀的，各向同性的
2、宇宙中物质含量：宇宙中物质含量：氢（氢（H2）最多最多氦（氦（He）其次其次其它其它 少量少量目前发现目前发现的约的约10亿亿个个（几百亿（几百亿个）个）尺度几千尺度几千几十万光年不等几十万光年不等（总星系）（总星系）6星系星系漩涡星系漩涡星系椭圆星系椭圆星系不规则星系不规则星系2.银河系银河系尺度尺度组成组成发光部分直径发光部分直径 7 万光年万光年最大厚度最大厚度 1 万光年万光年恒星恒星 2000亿颗亿颗气体、尘埃团块气体、尘埃团块73.太阳系太阳系尺度尺度组成组成直径直径240亿千米亿千米尺度尺度 半径半径70万千米万千米位置位置 银河系轴银河系轴3/5处处运动运动 250千米千米/秒
3、绕轴运动秒绕轴运动温度温度内部内部 15000000K表面表面 6000K行星行星9个个类地行星类地行星（Si、Fe）卫星卫星 34个个无卫星无卫星有卫星有卫星彗星彗星 1600颗颗流星流星太阳太阳 中心天体中心天体水水 金金 地地 火火 木木 土土 天天 海海 冥冥类木行星类木行星（H2、N2、NH3、CH4）离太阳离太阳120亿千米亿千米8三、宇宙的起源和演化三、宇宙的起源和演化宇宙开端宇宙开端150亿年前大爆炸亿年前大爆炸最重要证据：最重要证据：星系光谱红移星系光谱红移 星系彼此远离星系彼此远离宇宙在膨胀宇宙在膨胀极高密度状态极高密度状态物质密度更高物质密度更高奇点奇点大爆炸大爆炸919
4、22年弗里德曼和年弗里德曼和1927年勒梅特，得到了动态宇宙模型。年勒梅特，得到了动态宇宙模型。20世纪世纪20年代，发现多数星系发出的光谱发生红移。这意味着多年代，发现多数星系发出的光谱发生红移。这意味着多数星系在向我们远离的方向上退行。数星系在向我们远离的方向上退行。1948年伽莫夫等人，结合当时核物理的知识，提出了宇宙大爆炸年伽莫夫等人，结合当时核物理的知识，提出了宇宙大爆炸理论。认为今天看到的宇宙膨胀逆着时间追溯回去，则起始于一理论。认为今天看到的宇宙膨胀逆着时间追溯回去，则起始于一次猛烈的大爆炸。次猛烈的大爆炸。1929年哈勃总结出经验定律年哈勃总结出经验定律v=H0rV星系退行的速
5、度星系退行的速度H0 哈勃常数，观测值为哈勃常数，观测值为150千米千米/秒秒 千万光年千万光年r星体的距离星体的距离10观测支持和宇宙的热演化观测支持和宇宙的热演化大爆炸之后约大爆炸之后约10-2秒秒大爆炸之后约大爆炸之后约1秒秒大爆炸之后约大爆炸之后约10秒秒宇宙温度约宇宙温度约1011K，宇宙主要成分是，宇宙主要成分是电子、正电子、光子、中微子、反电子、正电子、光子、中微子、反中微子等及少量核子。中微子等及少量核子。宇宙温度下降为宇宙温度下降为1010K，宇宙中的中子，宇宙中的中子占占24%，质子占，质子占76%宇宙温度下降为宇宙温度下降为3x109K，宇宙中的，宇宙中的中子、质子可形成
6、中子、质子可形成4He。而较重的原。而较重的原子核仍没有形成的机会。子核仍没有形成的机会。11到了到了3分钟，分钟，宇宙温度下降为宇宙温度下降为109K。中子衰变为质子，剩。中子衰变为质子，剩下的中子都可直接组合到氦核中，因此造成下的中子都可直接组合到氦核中，因此造成氦核的丰度为氦核的丰度为26%，其余的质子则只能成为，其余的质子则只能成为氢核了。这与氢核了。这与 是是接近的。接近的。到了约到了约1012秒秒宇宙继续冷却和膨胀，温度降为宇宙继续冷却和膨胀，温度降为4x 103K。原。原子气体靠引力作用结团形成恒星和星系，而子气体靠引力作用结团形成恒星和星系，而恒星和星系演化，其中的和聚变过程产
7、生更恒星和星系演化，其中的和聚变过程产生更重的原子核；脱离了热偶合的光子气体称重的原子核；脱离了热偶合的光子气体称为为 ，温度下降到现在的，温度下降到现在的2.7K。1964年彭齐亚斯和威尔逊发现这种背景辐射。年彭齐亚斯和威尔逊发现这种背景辐射。宇宙中氦和氢的丰度测量宇宙中氦和氢的丰度测量这是宇宙大爆炸理论的一个重要的观测支持。这是宇宙大爆炸理论的一个重要的观测支持。这是宇宙大爆炸理论的又一个重要的观测支持。这是宇宙大爆炸理论的又一个重要的观测支持。宇宙背景辐射宇宙背景辐射12大大爆爆炸炸1秒秒钟钟前前3分分钟钟3分分钟钟70万万年年几几十十亿亿年年T100亿K 质子、中子、电子、光子“宇宙汤”T10亿K 质子+中子氘核、氦核T100万K 缓慢膨胀T3000K原子核+电子原子光子不再被电子散射宇宙开始透明原子 引力凝聚原始星云13星系的形成星系的形成恒星的一生恒星的一生（1）形成）形成（2）演化）演化14三种三种质量质量 太阳太阳超新星爆发超新星爆发黑洞黑洞恒星恒星归宿归宿15太阳系形成、演化太阳系形成、演化地球形成、演化地球形成、演化16【复习思考题及习题】【复习思考题及习题】1.现代宇宙学是如何定义宇宙概念的？2.从整体上看，我们的宇宙存在哪几个结构层次？3.简述宇宙的形成和演化过程。4.简述太阳系的结构、形成和演化。5.地球有那些圈层结构？它们是如何形成的？
