第十三章B 宇宙的基本结构

晴夜，我们仰望星空，可以看到许多闪闪发光的星星，它们绝大多数是恒星。除了恒星之外，还有一种云雾状的天体，称为星云。星云由极其稀薄的气体和尘埃组成，形状很不规则，图13-4就是有名的猎户星云。

在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里，还有些什么呢？是绝对的真空吗？当然不是。那里充满着非常稀薄的星际气体、星际尘埃、宇宙线和极其微弱的星际磁场。随着科学技术的发展，人们发现越来越多的新天体，也越来越清晰地了解了宇宙的结构。

大家谈

谈谈你认为宇宙具有怎样的基本结构？你是如何知道的？

星空如此迷人，似乎是比我们日常生活的世界更完美的地方。生活中充满了喧嚣，而星星是那样宁静；生命是如此短暂，而星星则看上去是永恒的。古时候的人们为了知道耕种和收割的时令、战争与和平的征兆以及探寻有关生命意义的迹象和祈求心中的神的庇裙，就注视星空。

了解星空，我们还是从研究我们的地球开始吧。

在地面上我们如何知道大地是球状的？

所有科学都以可观察的证据为基础。今天我们要知道地球的形状，只要看看在外太空拍摄的地球照片就可以了，但古人是如何知道大地是球状的呢？

亚里士多德等人提供了许多根据观察得到的、令人信服的可靠理由，证明大地是一个球体；一个理由是船只出海时渐渐没入地平线，最后完全消失在地球的弧线下方。另一个理由是当人们向南旅行与向北旅行时所见的星空是不同的。其他理由则来自天文观察。在月食时观察到地球投到月球上的影子（图13-5），正好符合地球与月球两者都是球状时所预期的形状。

1519年到1522年，葡萄牙航海家麦哲伦率领的船队第一次环球航行成功，以实践证明了地球是球形的。

你可以选择一个晴朗的黑夜，到郊外试着跟踪天空中的星星。在1 h或更长时间内每隔15 min观察一次这些星星，你会看到星星和月球一样在东方升起、西方落下，不同的星星彼此相对位置不变而成群地穿越天空，而北极星几乎固定不动，它周围附近的星星环绕着它做圆周运动。

1．地球和月球

地球是一颗直径约为12 756 km、质量约为6.0×10²⁴ kg的行星，以约30km/s的平均速率绕太阳高速旋转

大家谈

在图13-6中，星光划出了一些有规律的弧线，你知道这些弧线表面了什么？

月球的存在对地球有什么影响？

千百年来，人们一直以为月球表面是相当光滑的，直到1609年伽利略第一次用自己发明的望远镜看到了月球表面的环形山、高地和月海。从地球上看，我们总是看到同样的一些月海，因此我们推断月球总是以同一个面来对着地球。

月球的存在对地球产生了许多影响，如潮汐现象主要是由于月球对地球不同部分施加不同的万有引力而产生的。如图13-7所示，A点是离月球最近的点。在这一点上，月球对地表水的引力要大于它对地球其他部位的引力，于是水流向A点，形成高潮。B点是离月球最远的点。在这一点上，月球对地表水的引力要小于它对地球其他部位的引力，加上地球本身的运动，水被抛在其后，这些被抛在身后的水形成另一个高潮。C点和D点为两个低潮点。

月球的直径约为3476 km，质量约为地球的\(\frac{1}{81} \)，平均密度几乎和地球球壳的密度相等。

拓展联想

月球成因

目前有关月球成因的所有假说中，证据比较充分的是一种称为碰撞论的假说。该假说认为，碰撞大约发生在4.5亿年前。图13-8是用计算机模拟的碰撞过程。你能否再找出一个证据来证明这个观点？

大家谈

太阳的能量是取之不尽、用之不竭的吗？

太阳不断释放巨大能量的原因是什么？

整个太阳每秒辐射的能量达到4×10²⁶ J，比人类诞生后所消牦的总能量还要大得多。如此巨大的能量是如何产生的呢？

人类对物质微观世界的研究，回答了天上的难题：原来是太阳内的物质发生了核反应，从而释放出能量。太阳每秒“烧”掉超过6×10⁸ t氢核燃料。以前曾有人设想太阳是一个有足够的碳、氧等物质的天体，那么按照太阳的辐射情况，可以燃烧1 000年。这显然不符合实际情况。也有人曾设想太阳发出的光和热是由于整个太阳的气体渐渐落向中心，引力势能转化为内能而产生的。但这样太阳也仅可以“燃烧”1 000万年，比地球的年龄还小。显然也是不可能的。

2．太阳和行星

太阳是一颗自己能发光发热的气体星球。太阳的直径约为1.4×10⁶ km，总质量约为2×10³⁰kg。

太阳系的结构是怎样的？

古希腊人在仔细观测星空后，发现了一些令人惊奇的现象，有5个光点似乎在星际漫游，因此把它们称为“行星”，这五大行星是：水星、金星、火星、木星和土星。直到有望远镜后人们才发现了其他行星，迄今已发现太阳系有八大行星。

人们常按照行星离太阳的远近及其结构等对行星进行分类。水星、金星、地球、火星称为内行星，它们也被称为“类地行星”，它们外壳是由坚硬的岩石构成的，核心都是铁等金属。

外行星是指离太阳距离较远的行星，如木星、土星、天王星、海王星，这些行星体积巨大，没有坚固的外壳。

行星在太阳的引力作用下几乎在同一平面内绕太阳公转。距离太阳越近的行星，公转速度越大。

自主活动

对八大行星的分类，表格中“分类1”是以有无坚硬外壳作为分类标准的。请查阅资料，尝试用另一种标准进行分类，并填入表格“分类2”中：

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小行星和彗星

太阳系中除了太阳、八大行星和它们的卫星以外，还有许多小行星（图13-9）和彗星（图13-10），小行星大多数集中在火星、木星轨道之间，也有少数在地球轨道附近，称为近地小行星。

彗星是一种形状奇特的小天体，其轨道一般十分扁长。当接近太阳时，彗星常生出长长的彗尾。

我们是怎样知道银河系的形状的？

我们现在知道太阳系只是银河系中一个非常渺小的角落。银河系中至少还有3 000多亿颗恒星，星际空间还存在着可以吸收星光的物质。地球处于银河系之中，银河系又是如此巨大，我们是如何知道银河系的形状的呢？

幸运的是，我们还可以在其他方向看到宇宙中的其他星系。我们从外部观测这些星系，判断它们的形状。星系按外形大致分为：旋涡星系、椭圆星系和不规则星系（图13-11）。对比这些星系，再通过观察太阳周围的恒星分布情况，就可能推测出银河系是一种旋涡状的星系，太阳处于其中的一个旋臂上（图13-12）。

3．银河系和河外星系

星系是由宇宙中一大群运动着的恒星、大量的气体和尘埃组成的物质系统。

宇宙中的星系估计可达1000亿个以上，银河系就是其中之一。

银河系以外的星系统称为河外星系。

我们是怎样知道恒星的距离的呢？

恒星离我们非常遥远，但是我们可以利用地球绕太阳运动的性质来测量恒星的距离，这种测距方法叫周年视差法。

如图13-13所示，A恒星是我们想要测量距离的星体，B、C、D是相对比较远的恒星。在1月到7月间B、C、D的相对位置几乎看不出移动过，而A的相对位置在这半年里看上去却发生了变化。图中的θ角就称为周年视差。

由于离我们越远的恒星，其周年视差就越小，大于1 000 l.y.以外的恒星的周年视差已经小到无法测量，因此就不能用这个方法来测量距离了。

除太阳外，离我们最近的恒星大约在4.3 l.y.（光年，光在真空中运行一年所行进的距离，1 l.y.＝9.46×10¹⁵m）处。

我们观测到的宇宙究竟是怎样一幅图景？

仙女星系（图13-14）是人们能用肉眼看到的最遥远的天体，由于光速有限，你看到来自那里的光线，实际上已经穿行了200多万年了，因此观察遥远的天体就等于在观测宇宙的过去。如果我们最远可以看到1.37×10¹⁰ l.y.以外的天体，就意味着我们看到了1.37×10¹⁰年前宇宙的某种情景。

观察表明，星系常聚集成大大小小的集团，称为星系团，直径达上千万光年。若干星系团又组成更大的超星系团。从更大尺度上看，宇宙中的可见物质分布在一些巨大的空洞周围，呈纤维状或薄膜状分布，这就是宇宙大尺度结构（图13-15）。

4．宇宙

天文学家把所有的空间及其中的万物定义为宇宙。

拓展联想

宇宙正在膨胀

埃德温·哈勃（图13-16）在20世纪20年代分析了从其他星系来的星光之后，发现了宇宙的一个重要的秘密：在大尺度上，每一个星系都在与其余星系远离（退行），它们距离我们越远，则离开的速度越快。这意味着宇宙正在膨胀。如果它们离开我们的距离为R，退行的速度为v，那么v＝HR。这一定律叫做哈勃定律，哈勃常数H为膨胀率。

根据这个假设所建立的大爆炸宇宙模型已为许多观测所证实，并逐步被广泛接受。但宇宙起源、演化仍有许多未解之谜，需要我们不断探索和研究。

发布时间：2016/9/18 下午1:51:31  阅读次数：1198