3 F- u' j1 d- h& R& ?语宇宙是如何形成的? 1.科学家认为它起源为137亿年前之间的一次难以置信的大爆炸。这是一次不可想像的能量大爆炸，宇宙边缘的光到达地球要花120亿年到150亿年的时间。大爆炸散发的物质在太空中漂游，由许多恒星组成的巨大的星系就是由这些物质构成的，我们的太阳就是这无数恒星中的一颗。原本人们想象宇宙会因引力而不在膨胀，但是，科学家已发现宇宙中有一种 “暗能量”会产生一种斥力而加速宇宙的膨胀。 2.宇宙学说认为，我们所观察到的宇宙，在其孕育的初期，集中于一个体积极小、温度极高、密度极大的奇点。在141亿年前左右，奇点产生后发生大爆炸，从此开始了我们所在的宇宙的诞生史。 3.宇宙大爆炸后0.01秒，宇宙的温度大约为1000亿度。物质存在的主要形式是电子、光子、中微子。以后，物质迅速扩散，温度迅速降低。大爆炸后1秒钟，下降到100亿度。大爆炸后14秒，温度约30亿度。35秒后，为3亿度，化学元素开始形成。温度不断下降，原子不断形成。宇宙间弥漫着气体云。他们在引力的作用下，形成恒星系统，恒星系统又经过漫长的演化，成为今天的宇宙。 宇宙是什么?宇宙有多大?宇宙年龄是多少? 宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。从最新的观测资料看，人们已观测到的离我们最远的星系是130亿光年。也就是说，如果有一束光以每秒30万千米的速度从该星系发出，那么要经过130亿年才能到达地球。根据大爆炸宇宙模型推算，宇宙年龄大约200亿年。宇宙有多少个星系?每个星系有多少颗恒星? 在这个以130亿光年为半径的球形空间里，目前已被人们发现和观测到的星系大约有1250亿个，而每个星系又拥有像太阳这样的恒星几百亿到几万亿颗。因此只要做一道简单的数学题，你就不难了解到，在我们已经观测到的宇宙中拥有多少星星。地球在如此浩瀚的宇宙中，真如沧海一粟，渺小得微不足道。天文学的基础知识（一） 太阳和地球的年龄? 据估计太阳的年龄比地球大1000万-2000年年，而通过放射性计年，地球的年龄是45亿年，因此太阳的年龄是45.1亿年。银河系简介 是地球和太阳所属的星系。因其主体部分投影在天球上的亮带被我国称为银河而得名。银河系呈旋涡状，有4条螺旋状的旋臂从银河系中心均匀对称地延伸出来。银河系中心和4条旋臂都是恒星密集的地方。从远处看，银河系像一个体育锻炼用的大铁饼，大铁饼的直径有10万光年，相当于946080000亿公里。中间最厚的部分约3000～12000光年。银河系整体作较差自转，太阳位于一条叫做猎户臂的旋臂上，距离银河系中心约2.5万光年。在银河系里大多数的恒星集中在一个扁球状的空间范围内，扁球的形状好像铁饼。扁球体中间突出的部分叫“核球”，半径约为7千光年。核球的中部叫“银核”，四周叫“银盘”。在银盘外面有一个更大的球形，那里星少，密度小，称为“银晕”，直径为7万光年。银河系是一个旋涡星系，具有旋涡结构，即有一个银心和两个旋臂，旋臂相距4500光年。其各部分的旋转速度和周期，因距银心的远近而不同。1971年英国天文学家林登·贝尔和马丁·内斯分析了银河系中心区的红外观测和其他性质，指出银河系中心的能源应是一个黑洞，但、天王星、地球、金星、火星、水星 体积从大到小依次为：木星、土星、天王星、海王星、地球、金星、火星、水星 什么是恒星?在夜晚用人眼能看到多少颗恒星? 由炽热气体组成的，能自己发光的球状或类球状天体，恒星都是气体星球。正常恒星大气的化学组成与太阳大气差不多。按质量计算，氢最多，氦次之，其余按含量依次大致是氧、碳、氮、氖、硅、镁、铁、硫等。离地球最近的恒星是太阳。其次是处于半人马座的比邻星，它发出的光到达地球需要4.22年。晴朗无月的夜晚，且无光污染的地区，一般人用肉眼大约可以看到 6000多颗恒星。借助于望远镜，则可以看到几十万乃至几百万颗以上。 如何测恒星的质量和密度? 只有特殊的双星系统才能测出质量来，一般恒星的质量只能根据质光关系等方法进行估算。已测出的恒星质量大约介于太阳质量的百分之几到120倍之间，但大多数恒星的质量在0.1～10个太阳质量之间。恒星的密度可以根据直径和质量求出，密度的量级大约介于 10克/厘米（红超巨星）到 10～10克/厘米（中子星）之间。 什么叫光年，银河系的直径有多少光年? 长度单位，指光在真空中行走的距离，1光年=94600公里，光由太阳到达地球需时约八分钟，已知距离太阳系最近的恒星为半人马座比邻星，它相距4.22光年。我们所处的星系——银河系的直径约有七万光年，假设有一近光速的宇宙船从银河系的一端到另一端，它将需要多于十万年的时间。 什么是光？ 这很有讽刺性。光就在我们周围，因为它我们才能看到东西。但是要精确的说它是什么却不容易。光可以被认为是有时具有波的性质的在时空中传播的粒子。这是因为。其中二十二亿分之一的能量辐射到地球，成为地球上光和热的主要来源。太阳内部漆黑一片，虽然体太阳光十分耀眼，但它内部却不能产生光。因为太阳内部核反应产生的能量太高，是由伽马射线的形式传向外部，但人眼看不到伽马射线。所以如果我们能看到太阳内部，那将会是一片黑暗。恒星也有自己的生命史，太阳这个巨大的"核能火炉"已经稳定地"燃烧"了50亿年.目前.它正处于壮年，要再过50亿年它才会燃尽自己的核燃料.那时，它可能膨胀成一个巨大的红色星体... 2.其实，太阳只是一颗非常普通的恒星，在广袤浩瀚的繁星世界里，太阳的亮度、大小和物质密度都处于中等水平。只是因为它离地球最近，所以看上去是天空中最大最亮的天体。其它恒星离我们都非常遥远，即使是最近的恒星，也比太阳远27万倍，看上去只是一个闪烁的光点。在银河系内一千多亿颗恒星中，太阳只是普通的一员，它位于银河系的对称平面附近，距离银河系中心约26000光年，在银道面以北约26光年， 它一方面绕着银心以每秒250公里的速度旋转，另一方面又相对于周围恒星以每秒19.7公里的速度朝着织女星附近方向运动。太阳上的“一天”时间不一样。与地球一样，太阳也有自转，但跟地球不同的是太阳不是固体，因此不同的纬度转速不一样，在太阳赤道，转一圈要25个地球日。纬度越高，转速越慢，在靠近两极的地方，转一圈要约31个地球日。在地球上，在你南面的地点无论多久都在你的南面，但在太阳上，这不成立。越靠近赤道，转的越快，就会滑向东边。这是流体的情形 3.我们见到的太阳的表面实际并不是一个面。在我们看来，太阳似乎有一个固体的表面，并且有一个可测的边界。真实情况是：太阳是一个由气体组成的球体，没有固体的表面。我们看到的边界，只是由于在那儿，太阳气体的密度下降到使光透明的程度。在这个密度之上，太阳是不透明的，因此我们看不到太阳内部。虽然我们现在了解到这些，但天文学家仍然把这一不透明的边界当作太阳的“表面”，称作光球层。 4.光球表面另一种著名的活动现象便是太阳黑子。黑子是光球层上的巨大气流旋涡，大多呈现近椭圆形，在明亮的光球背景反衬下显得比较暗黑，但实际上它们的温度高达4000℃左右，倘若能把黑子单独取出，一个大黑子便可以发出相当于满月的光芒。 5.太阳的年龄约为46亿年，它还可以继续燃烧约50亿年。在其存在的最后阶段，太阳中的氦将转变成重元素，太阳的体积也将开始不断膨胀，直至将地球吞没。在经过一亿年的红巨星阶段后，太阳将突然坍缩成一颗白矮星--所有恒星存在的最后阶段。再经历几万亿年，它将最终完全冷却，然后慢慢地消失在黑暗里。 6.通过对太阳光谱的分析，得知太阳的化学成分与地球几乎相同，只是比例有所差异。太阳上最丰富的元素是氢，其次是氦，还有碳、氮、氧和各种金属。地球上除原子能和火山、地震以外，太阳能是一切能量的总源泉。那么，整个地球接收的有多少呢？太阳发射出大的能量呢？科学家们设想在地球大气层外放一个测量太阳总辐射能量的仪器，在每平方厘米的面积上，每分钟接收的太阳总辐射能量为8.24焦。这个数值叫太阳常数。如果将太阳常数乘上以日地平均距离作半径的球面面积，这就得到太阳在每分钟发出的总能量，这个能量约为每分钟2.273×10^28焦。（太阳每秒辐射到太空的热量相当于一亿亿吨煤炭完全燃烧产生热量的总和，相当于一个具有5200万亿亿马力的发动机的功率。太阳表面每平方米面积就相当于一个85000马力的动力站。）而地球上仅接收到这些能量的22亿分之一。太阳每年送给地球的能量相当于100亿亿度电的能量。太阳能取之不尽，用之不竭，又无污染，是最理想的能源。 7.太阳表面经常发生强烈的爆炸。这种爆炸就是我们看到的耀斑，能在短短几秒内释放出上百万颗原子弹的能量。当耀斑发生时，太阳的大气层会被吹出一个巨大的洞，并发出十分强烈的光、电磁波，高能X射线及数以百亿计的带电粒子，这种现象被称作太阳风。当太阳黑子最活跃时，耀斑和太阳风也发生的最频繁最剧烈。 8.太阳像是空间的一块巨大的磁铁。与地球类似，太阳内部好像有一个巨大的磁铁，这磁铁产生了巨大的磁场，在太空中绵延数亿英里，并控制周围热气体的流动。每隔11年，在黑子活动周期的开端，磁场南北极会颠倒一次，而太阳自转轴保持不变。天文学的基础知识（一） 地球的基本概况? 1.年龄：46亿岁。公转周期：约365天。公转轨道：呈椭圆形。7月初为远日点，1月初为近日点。自转周期：恒星日：约23.小时56分4秒。太阳日：24小时。自转方向：自西向东。黄赤交角：23°26。赤道半径：是从地心到赤道的距离，大约6378.5公里。平均半径：大约6371.3 公里(这个数字是地心到地球表面所有各点距离的平均值)。体积：10832亿立方千米。质量：5.9742×10^21 吨。平均密度：5.515 g/cm^3，地球是太阳系中密度最大的星体。地球表面积：5.1亿平方千米。海洋面积：3.61亿平方千米。大气：主要成份：氮（78.5%）和氧（21.5%）。地壳：主要成份：氧(47%)、硅（28%）和铝（8%）。表面大气压：1013.250毫巴。由化学组成成分及地震震测特性来看，地球本体可以分成一些层圈，以下就标示出它们的名称与范围(深度，单位为公里)：0- 40地壳，40-2890地幔，2890-5150外地核，5150-6378内地核。地球表面积71%为水所覆盖，地球是太阳系唯一在表面可以拥有液态水的行星 ( 土卫六的表面有液态乙烷或甲烷，而藏于木卫二的表面之下则可能有液态水，不过地球表面有液态水仍是独一无二的)。天文学的基础知识（二） 2.地球距离太钟。月亮的东升西落是地球自转的反映；而自西向东的移动却是月亮围绕地球公转的结果。月亮绕地球公转一周叫做一个“恒星月”，平均是27天7小时43分11秒。月亮绕地球公转的同时，它本身也在自转。既然月亮自转一周是地球上的27.3天，为什么月亮上的一天等于地球上29天半的时间呢？原来月亮一面自转，一面还要围绕地球公转，而地球同时也在围绕太阳公转。当月亮转了一周以后，地球也在绕太阳公转的轨道上走了一段距离，因此月亮原来正对太阳的一点，还没有正对着太阳，必须再转过一个角度，才能正对太阳，这段时间要用2.25天。把27.3天加上2.25天，正好大约29天半的时间。 6.月亮的自转周期和公转周期是相等的，即1：1，月球绕地球一周的时间为也就是它自转的周期。月球这种奇特地自转结果是：月球总以同一半面向着地球，而从地球上永远看不到月球背面是什么样，只有靠探测器才能揭开月背千古之谜，人类的这个愿望早在30多年前就已实现了。当今大型天文望远镜能分辩出月面上约 50米（相当于14层高楼）的目标。 7.大家知道，月亮本身不发光，只是把照射在它上面的太阳光的一部分反射出来，这样，对于地球上的观测者来说，随着太阳、月亮、地球相对位置的变化，在不同日期里月亮呈现出不同的形状，这就是月相的周期变化。进一步说，虽然月亮被太阳照射时，总有半个球面是亮的，但由于月亮在不停地绕地球公转，时时改变着自己的位置，所以它正对着地球的半个球面与被太阳照亮的半个球面有时完全重合，有时完全不重合，有时一小部分重合，有时一大部分重合，这样月亮就表现出了阴晴圆缺的变化。水星基本概况? 1.水星在八大行星中是最小的行星，比月球大1/3，它同时也是最靠近太阳的行星。水星目视星等范围从 0.4 到 5.5；水星太接近太阳，常常被猛烈的阳光淹没，它的轨道距太阳4590万～6970万千米之间，所以望远镜很少能够仔细观察它。水星没有自然卫星。水星离太阳的平均距离为5790万公里，绕太阳公转轨道的偏心率为0.206，故其轨道很扁。太阳系天体中，除冥王星外，要算水星的轨道最扁了。水星在轨道上的平均运动速度为48公里／秒，是太阳系中运动最快的行星，绕太阳一周只需88天，自转一周只需58.6天，水星上的一天相当于地球上的59天。水星有一个小型磁场，磁场强度约为地球的1％。水星只有微量的大气。水星的大气极其稀薄。实际上，水星大气中的气体分子与水星表面相撞的频密程度比它们之间互相相撞要高。出于这些原因，水星应被视为是没有大气的。“大气”主要由氧，钾和钠组成。 2.早在公元前3000年的苏美尔时代，人们便发现了水星，古希腊人赋于它两个名字：当它初现于清晨时称为阿波罗，当它闪烁于夜空时称为赫耳墨斯。水星上的温差是整个太阳系中最大的，温度变化的范围为90开到700开，最高地表温度 634.5°C 最低地表温度为-86°C ，平均地表温度 179°C 。相比之下，金星的温度略高些，但更为稳定。水星的密度比月球大得多，(水星 5.43 克/立方厘米 月球 3.34克/立方厘米)。水星是太阳系中仅次于地球，密度第二大的天体。 金星基本概况? 1.按离太阳由近及远的次序是第二颗。它是离地球最近的行星。中国古代称之为太白或太白金星。它有时是晨星，黎明前出现在东方天空，被称为“启明”；有时是昏星，黄昏后出现在西方天空，被称为“长庚”。金星是全天中除太阳和月亮外最亮的星，亮度最大时为-4.4等，比著名的天狼星（除太阳外全天最亮的恒星）还要亮14倍，犹如一颗耀眼的钻石，于是古希腊人称它为阿佛洛狄忒（Aphrodite）——爱与美的女神，而罗马人则称它为维纳斯（Venus）——美神。1950年代后期，天文学家用射电望远镜第一次观测了金星的表面。从1961年起，前苏联和美国向金星发射了30多个探测器，从近距离观测，到着陆探测。 2.金星和水星一样，是太阳系中仅有的两个没有天然卫星的大行星。因此金星上的夜空中没有“月亮”，最亮的“星星”是地球。由于离太阳比较近，所以在金星上看太阳，太阳的大小比地球上看到的大1.5倍。有人称金星是地球的孪生姐妹，确实，从结构上看，金星和地球有不少相似之处。金星的半径约为6073公里，只比地球半径小300公里，体积是地球的0.88倍，质量为地球的4/5；平均密度略小于地球。但两者的环境却有天壤之别：金星的表面温度很高，不存在液态水，加上极高的大气压力和严重缺氧等残酷的自然条件，金星不可能有任何生命存在。因此，金星和地球只是一对“貌合神离”的姐妹。 3.金星表面温度高达465至485度，是因为金星上强烈的温室效应，原因在于金星的大气密度是地球大气的100倍，且大气97％以上是“保温气体”——二氧化碳；同时，金星大气中还有一层厚达20～30千米的由浓硫酸组成的浓云。二氧化碳和浓云只许太阳光通过，却不让热量透过云层散发到宇宙空间，所以昼夜温差并不大。金星环境复杂多变，天空是橙黄色，经常下硫酸雨，一次闪电竟然持续15分钟！。金星的大气压强非常大，为地球的90倍，相当于地球海洋中1千米深度时的压强。金星本身的磁场与太阳系的其它行星相比是非常弱的。这可能是因为金星的自转不够快，其地核的液态铁因切割磁感线而产生的磁场较弱造成的。这样一来，太阳风就可以毫无缓冲地撞击金星上层大气。最早的时候，人们认为金星和地球的水在量上相当，然而，太阳风的攻击已经让金星上层大气的水蒸气分解为氢和氧。氢原子因为质量小逃逸到了太空。金星地表没有水，空气中也没有水份存在，其云层的主要成分是硫酸，而且较地球云层的高度高得多。金星上可谓火山密布，是太阳系中拥有火山数量最多的行星。业已发现的大型火山和火山特征有1600多处。此外，还有无数的小火山，没有人计算过它们的数量，估计总数超过10万，甚至100万。由于大气高压，金星上的风速也相应缓慢。这就是说，金星地表既不会受到风的影响也没有雨水的冲刷。因此，金星的火山特征能够清晰地保持很长一段时间。 4.金星的自转很特别，是太阳系内唯一逆向自转的大行星，自转方向与其它行星相反，是自东向西。因此，在金星上看，太阳是西升东落。金星绕太阳公转的轨道是一个很接近正圆的椭圆形，且与黄道面接近重合，其公转速度约为每秒35公里，公转周期约为224.70天。但其自转周期却为243日，也就是说，金星的自转恒星日一天比一年还长。不过按照地球标准，以一次日出到下一次日出算一天的话，则金星上的一天要远远小于243天。这是因为金星是逆向自转的缘故；在金星上看日出是在西方，日落在东方；一个日出到下一个日出的昼夜交替只是地球上的116.75天。金星历法是一种以金星的周期活动为标准的历法规则。然而，金星历法并不部结构的资料（及其他气态行星）来源很不直接，并有了很长时间的停滞，（来自伽利略号的木星大气数据只探测到了云层下150千米处），“先驱者11号”于1974年12月飞掠木星时，测得的木星表面温度为零下148摄氏度，木星由90％的氢和10％的氦（原子数之比， 75/25％的质量比）及微量的甲烷、水、氨水和“石头”组成。这与形成整个太阳系的原始的太阳系星云的组成十分相似。土星有一个类似的组成，但天王星与海王星的组成中，氢和氦的量就少一些了。气态行星没有实体表面，它们的气态物质密度只是由深度的变大而不断加大（我们从它们表面相当于1个大气压处开始算它们的半径和直径）。我们所看到的通常是大气中云层的顶端，压强比1个大气压略高。木星可能有一个石质的内核，相当于10－15个地球的质量。 3.宇宙飞船发回的考察结果表明，木星有较强的磁场，表面磁场强度达3～14高斯，比地球表面磁场强得多（地球表面磁场强度只有0.3～0.8高斯）。木星磁场和地球的一样，是偶极的，磁轴和自转轴之间有 10°8′的倾角。木星的正磁极指的不是北极，而是南极，这与地球的情况正好相反。木星的四个大卫星都被木星的磁层所屏蔽，使之免遭太阳风的袭击。 4.木星有一个同土星般的环，不过又小又微弱，它们由许多粒状的岩石质材料组成。在宇宙飞船探测木星之前，人们知道木星有13颗卫星。科学家们从“旅行者2号”发回的照片上又发现了3颗，共有16颗木卫（可能有无数卫星，最新数量61颗）。其中靠近内侧的地方有４颗特别大是伽利略卫星，(伽利略卫星即木卫一、木卫二、木卫三和木卫四分别叫伊奥、欧罗巴 、加尼美德、卡利斯托)。按距离木星中心由近及远的次序为：木卫十六、木卫十四、木卫五、木卫十五、木卫一、木卫二、木卫三、木卫四。它们都围绕着木星公转，离木星最远的木卫九与木星的距离比地球和月亮的距离远60倍，它绕木星公转一周需要758天。木星的大小与卫星差异之大。除了欧罗巴以外，每颗伽利略卫星都比月球大，加尼美德的半径大约为2600公里，是太阳系中所有卫星中最大的一个，甚至比九大行星中的水星还要大。伊奥的大小和月球差不多，却拥有众多的活火山，地壳运动频繁。 5.从化学组成上来讲，木星更像太阳。虽然木星也和地球一样有铁核，可是它的85%是氢元素，其余15%主要是氦元素。其它元素只占1%。这是因为木星有强重力场，它保持了太阳系刚形成时期的大气组成。而地球的较弱的重力让它失去了大多数的原初元素。天文学的基础知识（二）6.木星上的云五彩斑斓。和地球上只有白色的云不一样，木星上的云五颜六色。这主要是因为木星大气中复杂的化合物造成的 7.木星会变成恒星吗？木星如果想变成一颗恒星，它的核心温度必须达到100万度，这才足以点燃热核反应（氢聚变成氦的反应），释放出巨大的能量。而要达到那么高的核心温度，木星的质量至少要比现在大100倍，而它没法从其他地方获得这么大的质量，所以它不可能成为一颗恒星。 土星基本概况? 1.土星古称镇星或填星，轨道距太阳14亿公里。土星直径119300公里（为地球的9.5倍），是太阳系第二大行星，公转周期相当于29.5个地球年，土星的自转很快是9.6公里／秒，仅次于木星。另外，英文的星期六（Saturday）也是以土星的英文名（Saturn）来命名的。在太阳系的行星中，土星的光环最惹人注目，它使土星看上去就像戴着一顶漂亮的大草帽，是最美丽的行星。土星环位于土星的赤道面上。在空间探测以前，从地面观测得知土星环有五个，其中包括三个主环（A环、B环、C环）和两个暗环（D环、E环）。土星光环中间有一条暗缝，后称卡西尼环缝。观测表明构成光环的物质是碎冰块、岩石块、尘埃、颗粒等，它们排列成一系列的圆圈，绕着土星旋转。它与邻居木星十分相像，表面也是液态氢和氦的海洋，上方同样覆盖着厚厚的云层。土星上狂风肆虐，沿东西方向的风速可超过每小时1600公里。土星上空的云层就是这些狂风造成的，云层中含有大量的结晶氨。土星还是太阳系中卫星数目最多的一颗行星，目前已发现的土星卫星就已经超过了60颗。土星卫星的形态各种各样，五花八门，使天文学家们对它们产生了极大的兴趣。最著名的“土卫六”上有大气，是目前发现的太阳系卫星中，唯一有大气存在的天体，土卫六与土星的平均距离为122万公里，沿着近乎正圆形的轨道绕土星运动。它像月球一样，总以同一面向着自己的行星——土星。也就是说，如果在土星上看土卫六的话，永远只能看到土卫六的同一个半面。它的轨道基本上在土星赤道面内。你可以想一想，土卫六这么大的天体，沿着大约122万公里的半径，居然运动在近乎正圆的轨道上，这真是有点难以想象的事。如果让我们专门画这样一个圆，恐怕也是不容易办到的。足见天体演化中的自然奇观。天文学的基础知识（二）2.土星大气以氢、氦为主，并含有甲烷和其他气体，大气中飘浮着由稠密的氨晶体组成的云。根据红外观测得知，云顶温度为-170℃，比木星低50℃。土星表面的温度约为-140℃，支顶温度为-180℃，比木星低50℃。在太阳系的行星中，土星的质量和大小仅次于木星。土星的平均密度是太阳系诸行星里最小的，平均密度为0.69（少于水的密度），这是因为土星核心的密度虽然要比水大一些，但有着高气体比例、低密度的大气层。由于土星的密度太小，其表面重力加速度和地球差不多 （为地球的1.07）。天文学的基础知识（二） 天王星基本概况? 1.天王星是从太阳向外的第七颗行星，在太阳系的体积是第三大（比海王星大），质量排名第四（比海王星轻），表面积相当于15.91 个地球表面积，质量等于14.536 个地球，自转周期17时 14分24秒，轴倾斜97.77°，远日点距离约30亿公里，近日点距离约27亿公里，轨道周期84.323326 年，阳光的强度只有地球的1/400。他的名称来自古希腊神话中的天空之神尤拉纳斯（Ο?ραν??），是克洛诺斯（农神）的父亲，宙斯（朱比特）的祖父。天王星在被发现是行星之前，已经被观测了很多次，但都把它当作恒星看待。最早的纪录可以追溯至1690年，约翰·佛兰斯蒂德在星表中将他编为金牛座34，并且至少观测了6次。天王星是第一颗在现代发现的行星，虽然他的光度与五颗传统行星一样，亮度是肉眼可见的，但由于较为黯淡而未被古代的观测者发现。威廉·赫歇耳爵士在1781年3月13日宣布他的发现，在太阳系的现代史上首度扩展了已知的界限。这也是第一颗使用望远镜发现的行星。目前已知天王星有27颗天然的卫星。 2.天王星和海王星的内部和大气构成不同于更巨大的气体巨星--木星和土星。同样的，天文学家设立了不同的冰巨星分类来安置她们。天王星大气的主要成分是氢和氦，还包含较高比例的由水、氨、甲烷结成的“冰”，与可以察觉到的碳氢化合物。他是太阳系内温度最低的行星，最低的温度只有49K，还有复合体组成的云层结构，水在最低的云层内，而甲烷组成最高处的云层。根据旅行者2号的探测结果，科学家推测天王星上可能有一个深度达10000公里、温度高达摄氏6650度，由水、硅、镁、含氮分子、碳氢化合物及离子化物质组成的液态海洋。由于天王星上巨大而沉重的大气压力，令分子紧靠在一起，使得这高温海洋未能沸腾及蒸发。反过来，正由于海洋的高温，恰好阻挡了高压的大气将海洋压成固态。天文学的基础知识（三）3.如同其他的大行星，天王星也有环系统、磁层和许多卫星。天王星的系统在行星中非常独特，因为它的自转轴斜向一边，几乎就躺在公转太阳的轨道平面上，因而南极和北极也躺在其他行星的赤道位置上。当天王星在至日附近时，一个极点会持续的指向太阳，另一个极点则背向太阳，每一个极都会有被太阳持续的照射42年的极昼，而在另外42年则处于极夜。天王星有一个暗淡的行星环系统，由直径约十米的黑暗粒状物组成。他是继土星环之后，在太阳系内发现的第二个环系统。目前已知天王星环有13个圆环，其中最明亮的是ε环。 海王星基本概况? 1.海王星是环绕太阳运行的第八颗行星，也是太阳系中第四大天体（直径上）。海王星的轨道周期(年)大约相当於164.79地球年，自转周期（日）大约是16.11小时，海王星直径上小于天王星，但质量比它大。海王星距太阳45亿公里，直径49.5万公里。1989年8月25日，旅行者2号探测器飞越海王星，这是人类首次用空间探测器探测海王星。它在距海王星4827千米的最近点与海王星相会，从而使人类第一次看清了远在距离地球45亿千米之外的海王星面貌，它发现了海王星的6颗新卫星(海王星有9颗已知卫星：8颗小卫星和海卫一。其中海卫一是太阳系质量最大的卫星)。首次发现海王星有5条光环，其中3条暗淡、2条明亮。由于冥王星的轨道极其怪异，因此有时它会穿过海王星轨道，自1979年以来海王星成为实际上距太阳最远的行星，在1999年冥王星才会再次成为最遥远的行星，通过双目望远镜可观察到海王星，但假如你要看到行星上的一切而非仅仅一个小圆盘，那么你就需要一架大的天文望远镜。 2.海王星的外观呈蓝色是大气中甲烷吸收了日光中的红光造成的。作为典型的气体行星，海王星上呼啸着按带状分布的大风暴或旋风，海王星上的风暴是太阳系中最快的，时速达到2000千米。和土星、木星一样，海王星内部有热源－－它辐射出的能量是它吸收的太阳能的两倍多。海王星的组成成份与天王星的很相似：各种各样的“冰”和含有15％的氢和少量氦的岩石。海王星相似于天王星但不同速膨胀的同时，它的外表面离中心越来越远，所以温度将随之而降低，发出的光也就越来越偏红。不过，虽然温度降低了一些，可红巨星的体积是如此之大，它的光度也变得很大，极为明亮。肉眼看到的最亮的星中，许多都是红巨星。 什么是红矮星? 在众多处于主序阶段的恒星当中，其大小及温度均相对较小和低，在光谱分类方面属于K或M型。它们在恒星中的数量较多，大多数红矮星的直径及质量均低于太阳的三分一，表面温度也低于3，500 K。释出的光也比太阳弱得多，有时更可低于太阳光度的万分之一。又由于内部的氢元素核聚变的速度缓慢，因此它们也拥有较长的寿命。红矮星的内部引力根本不足把氦元素聚合，也因此红矮星不可能膨胀成红巨星，而逐步收缩，直至氢气耗尽。也因为一颗红矮星的寿命可多达数百亿年，比宇宙的年龄还长，因此现时并没有任何垂死的红矮星。人们相信，宇宙众多恒星中，红矮星占了大多数，大约75%左右。例如离太阳最近的恒星，半人马座的南门二比邻星，便是一颗红矮星，其光谱分类为M5，视星等11.0。 什么是白矮星? 是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为它的颜色呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮星。白矮星是一种很特殊的天体，它的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。比如天狼星伴星（它是最早被发现的白矮星），体积比地球大不了多少，但质量却和太阳差不多！白矮星是一种晚期的恒星。根据现代恒星演化理论，白矮星是在红巨星的中心形成的。 什么是褐矮星? 是构成类似恒星，但质量不够大，不足以在核心点燃聚变反应的气态天体。其质量在恒星与行星之间。 什么叫黄道? 是在一年当中太阳在天球上的视路径，看起来它在群星之间移动的路径，太阳在地球上沿着黄道一年转一圈，为了确定位置的方便，人们把黄道划分成了十二等份(每份相当于30°），每份用邻近的一个星座命名，这些星座就称为黄道星座或黄道十二宫。这样，相当于把一年划分成了十二段，在每段时间里太阳进入一个星座。在西方，一个人出生时太阳正走到哪个星座，就说此人是这个星座的。 什么是白道? 是月球绕地球公转的轨道平面与天球相交的大圆。白道与黄道相交于两点。月球沿白道从黄道以南运动到黄道以北通过的那个交点称为升交点，与此相对的另一交点称为降交点。白道与黄道的交角在4°57′～5°19′之间变化，平均值约为 5°9′，变化周期约为173 天。由于太阳对月球的引力，两个交点的连线沿黄道与月球Zodiac（黄道）一词来 自希腊语，意思是“动物的带”。黄道十二星座中大部分为动物，但双子、室女、天秤、宝 瓶都不是动物，而射手座通常也绘成半人半兽。黄道十二星座对天文学家和占星学家都是很有意义的。黄道星座十分著名就是引文太 阳、月球、和可见的行星都在这一区域内运行。天文学的基础知识（三） 88个星座的总名单? 对天文学家而言，星座更 像是国家的疆界。星座本身并不包含科学知识， 它们只是人为强制划出的边界。全天一共88个星座，星座是古人把天上的星星用假想的线连在一起想象成的形象。但地球是个球体，所以在北极点上永远看不到天赤道以南的星座，在南极点永远看不到天赤道以北的星座。换句话说，越靠近两极，能看到的星座就越少，在赤道上可以看到全部88个星座。星座的具体名字如下：仙女座、唧筒座、天燕座、宝瓶座、天鹰座、天坛座、白羊座、御夫座、牧夫座、雕具座、鹿豹座、巨蟹座、猎犬座、大犬座、小犬座、摩羯座、船底座、仙后座、半人马座、仙王座、鲸鱼座、堰蜓座、圆规座、天鸽座、后发座、南冕座、北冕座、乌鸦座、巨爵座、南十字座、天鹅座、海豚座、剑鱼座、天龙座、小马座、波江座、天炉座、双子座、天鹤座、武仙座、时钟座、长蛇座、水蛇座、印地安座、蝎虎座、狮子座、小狮座、天兔座、天秤座、豺狼座、天猫座、天琴座、山案座、显微镜座、麒麟座、苍蝇座、矩尺座、南极座、蛇夫座、猎户座、孔雀座、飞马座、英仙座、凤凰座、绘架座、双鱼座、南鱼座、船尾座、罗盘座、网罟座、天箭座、人马座、天蝎座、玉夫座、盾牌座、巨蛇座、六分仪座、金牛座、望远镜座、三角座、南三角座、杜鹃座、大熊座、小熊座、船帆座、室女座、飞鱼座、狐狸座。这个顺序是按照88个星座的英文名字首字母排列的。最后再说一句，现行的星座主要起源于古希腊神话，而希腊是看不到南天的部分星空的。因此北天的星座以希腊神话中的英雄、怪物等命名的较多，例如狮子座、猎户座等；而南半球的星空是在进入航海时代后才为北半球的人所知，因此多以那时刚出现的仪器命名，例如望远镜座、显微镜座等。 出生月份、农历与太阳星座的如何对应? 出生月份与太阳星座的对应如下，由于天体运行的轨道与公历历法有差异，不同年份会前后相差1-2天，与中国农历的二十四节气各个“节”之间的距离吻合，节气时间的计算准确至分钟（并非子时开始），亦是星座的界线，每年均有差异。 星座名称 黄道带时间（一般认知） 恒星时间 太阳所在星座时间 对应的农历节气 白羊座 03月21日-04月19日 04月15日-05月15日 04月19日-05月13日 春分-谷雨前一天 金牛座 04月20日-05月20日 05月16日-06月15日 05月14日-06月19日 谷雨-小满前一天 双子座 05月21日-06月21日 06月16日-07月15日 06月20日-07月20日 小满-夏至前一天 巨蟹座 06月22日-07月22日 07月16日-08月15日 07月21日-08月09日 夏至-大暑前一天 狮子座 07月23日-08月22日 08月16日-09月15日 08月10日-09月15日 大暑-处暑前一天 处女座 08月23日-09月23日 09月16日-10月15日 09月16日-10月30日 处暑-秋分前一天 天秤座 09月24日-10月23日 10月16日-11月15日 10月31日-11月22日 秋分-霜降前一天 天蝎座 10月24日-11月21日 11月16日-12月15日 11月23日-11月29日 霜降-小雪前一天 蛇夫座 － － 11月30日-12月17日 射手座 11月22日-12月21日 12月16日-01月14日 12月18日-01月18日 小雪-冬至前一天 摩羯座 12月22日-01月19日 01月15日-02月14日 01月19日-02月15日 冬至-大寒前一天 水瓶座 01月20日-02月18日 02月15日-03月14日 02月16日-03月11日 大寒-雨水前一天 双鱼座 02月19日-03月20日 03月15日-04月14日 03月12日-04月18日 雨水-春分前一天 这只是时间表，12星座一般指的是黄道12星座（黄道带时间），即没有蛇夫座。 什么是彗星? 是星际间物质，俗称“扫把星”。在《天文略论》这本书中写道：彗星为怪异之星，有首有尾，俗象其形而名之曰扫把星。彗星是由冰和少量岩石组成的小天体，平均物质密度只有10-1000千克/立方米，天文学家们把彗星形象地称为“脏雪球”。在一般的情况下，彗星都在太阳系的边缘地区，这时即使被观测到，也与极其微弱的恒星相似，看不出细致的结构。但当其逐渐接近太阳的时候，由于太阳的热辐射、太阳风和太阳光压作用的加大，尤其当它进入火星轨道区域以后，表面物质挥发形成彗尾，表现出其独特的结构。 彗星有多少颗?有什么作用? 迄今发现的彗星共有1800多颗，它们中的大部分和我们仅有一面之缘，匆匆绕过太阳后，便沿着抛物线或双曲线一去不返了。科学家们一直对彗星感兴趣，因为彗星被认为是我们太阳系里最古老最原始的天体，其物质构成与太阳系形成前的星云类似。这种星云后来坍塌形成太阳和行星，因此它含有46亿年前太阳和行星形成时的尘埃和气体。科学家们认为，形成地球生命的原始物质很可能是在彗星撞击地球时带到地球上来的，彗星为科学家研究太阳系和地球上生命的形成提供了一个窗口。 彗星的起源? 彗星的起源是个未解之谜。有人提出，在太阳系外围有一个特大彗星区，那里约有1000亿颗彗星，叫奥尔特云，由于受到其它恒星引力的影响，一部分彗星进入太阳系内部，又由于木星的影响，一部分彗星逃出太阳系，另一些被“捕获”成为短周期彗星；也有人认为彗星是在木星或其它行星附近形成的；还有人认为彗星是在太阳系的边远地区形成的；甚至有人认为彗星是太阳系外的来客。 什么是哈雷彗星?多少年能观察一次彗星? 是以英国天文学家哈雷命名的，哈雷彗星每76年回归一次，绝大部分时间深居在太阳系的边陲地区，即使用现代最大的望远镜也难以搜寻到它的身影。地球上的人们只有在它回归时有三四个月的时间能够见到它。一般来说，人的寿命只有70岁左右，因此一个人很少能两次看到哈雷彗星。只有一些“老寿星”才有这种机会，第一次看到它是在牙牙学语的幼年，而第二次看到它就到了步履蹒跚的晚年了。1910年哈雷彗星非常亮，达-3.3等;1986年哈雷彗星星很暗，几乎看不到。 彗星的公转周期是多少? 哈雷彗星的平均公转周期为76年， 但是你不能用1986年加上几个76年得到它的精确回归日期。主行星的引力作用使它周期变更，陷入一个又一个循环。非重力效果（靠近太阳时大量蒸发）也扮演了使它周期变化的重要角色。在公元前239年到公元1986年，公转周期在76.0（1986年）年到79.3年（451和1066年）之间变化。最近的近日点为公元前11年和公元66元。哈雷彗星在众多彗星中几乎是独一无二的，又大又活跃，且轨道明确规律。这使得Giotto飞行器瞄准起来比较容易。但是它无法代表其他彗星所具有的公性。 简述天文学发展的历史? 1.许多早期的关于宇宙的看法都是将地球摆在所有物体的中心。从古希腊到印度和中国，许多文化发展了地心说或者被称之为地球中心论这样的对宇宙的观点。这个幻想毕竟很强烈。地球感觉上非常像是固定的，天上的光每天每夜都绕着它转。 2.最先受亚里士多德影响，许多古希腊人区分了天地的领域：天在上面地在下面。对于亚里士多德来说，地球上的所有东西都由四种元素组成：土地，空气，火和水。天上的太阳，月亮和已知的五大行星也被装在了水晶球里。这些球体被包含所有恒星的天球包含。它们都绕着地球转圈。它们必须作圆轨道运动，亚里士多德说，因为圆是完美的。而天上的东西都是以完美的方式运动。这些天体和它们的水晶球是由五种元素组成的，或称为五种精华。在它们下面属于地球的领域。有一条恒定的规律，就是出生，死亡和腐烂。但是在天空的领域，所有的东西的都是纯净的，无瑕疵的，永恒不变的。天上在外表上看永远是平静的，不变的。一切都是完美的。 3.亚里士多德的宇宙图是优雅的，但是不够精确。古中国的天空观测者不知道亚里士多德的这些论断，因此也没有受到亚里士多德的影响。他们观测并且记录下了天空的变化。这些包括被假设为无瑕疵的太阳上不能到达月球把月球拉到地球上来呢？用数学描述引力的行为，牛顿可以证明相同性质的力确实控制着苹果，月球以及宇宙中其他所有运动物体。通过极其敏锐的洞察力，牛顿说明了引力是普遍存在的力，并且用数学语言给出了这个统治宇宙中所有运动物体的力的精确表达式。他不只说明了我们在地球上经受的物理现象与宇宙中其他地方也是一样的，还表明了人类有能力了解这种力。 13.除了万有引力定律，牛顿还描述了三大运动定律。 1)如果没有外力作用，一个物体将保持静止或。因为它代表了通用的，超越文化甚至是种族的东西。所以，元素周期表成了破解火星语言的敲门砖。核中具有少量质子的元素有时被称为轻元素或简单元素；有大量原子的就叫重元素或复杂元素。 物质有多少种状态? 物质典型存在于三种态。我们知道三态分别是：固态，液态和气态。在特定的时间特定的地点物质处于什么态取决于物质的化学本质，环境的温度和压强。在地球上，我们找一个事物为例，我们能看到它的三个态。它由两个氢原子和一个氧原子组成：。在一般情况下，当温度低于华氏32度时我们称之为冰，当温度在华氏32度到212度之间时我们称之为水，高于华氏212度时，我们称之为水蒸气。（在非常高的温度下，氢和氧原子之间的键被打破，它的本质就不再是水蒸气，就是氢气和氧气的混合气体 反物质 反物质是物质的镜像。物质由原子组成，原子又由质子、中子和电子组成。质子带正电，电子带...通常物质中没有发现过反物质，即使在实验条件下，反质子也一瞬即逝。 当你照镜子时，看一看在镜子中的那个你，如果那个镜子里的家伙真的存在，并出现在你的面前，会怎么样呢？ 科学家们已经考虑过这个问题，他们把镜子中的那个你叫做“反你”。他们甚至想象很远的地方有一个和我们现在的世界很象的世界，或者说是我们的世界在镜子里的像。它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。但是反物质是什么，这一切又可能是真实的吗？ 对于“反物质是什么”这个问题，并没有恶作剧的意味。反物质正如你所想象的样子——是一般物质的对立面，而一般物质就是构成宇宙的主要部分。直到最近，宇宙中反物质的存在还被认为是理论上的。在1928年，英国物理学家PaulA.M.Dirac修改了爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2）。Dirac说爱因斯坦在质能方程中并没有考虑“m”——质量——除了正的属性外还有负属性。Dirac的方程（E=+或者-mc2）允许宇宙中存在反粒子。而且科学家们也已经证明了几种反粒子的存在。这些反粒子，顾名思义，是一般物质的镜像。每种反粒子和与它相应的粒子有相同的质量，但是电荷相反。以下是20世纪发现的一些反粒子。 正电子——带有一个负电荷而不是带有一个正电荷的电子。由CarlAnderson在1932年发现，正电子是反物质存在的第一个证据。反核子——带有一个负电荷而不是通常带有一个正电荷的核子。由研究者们在1955年的伯克利质子加速器上产生了一个反质子。 反原子——正电子和反质子组合在一起，由CERN的科学家制造出第一个反质子（CERN是欧洲核子研究中心的简称）。共制造了九个反氢原子，每一个的生命只有40纳秒。到1998年CERN的研究者把反氢原子的产量增加到了每小时2000个。当反物质和物质相遇的时候，这些等价但是相反的粒子碰撞产生爆炸，放射出纯的射线，这些射线以光速穿过爆炸点。这些产生爆炸的粒子被完全消灭，只留下其它亚原子粒子。物质和反物质相遇所产生的爆炸把两种粒子的质量转换成能量。科学家们相信这种方法产生的能量比任何其它推进方法产生的能量强的多。所以，为什么我们不能建一个物质——反物质反应机呢？建造反物质推进机的困难之处在于宇宙中反物质的缺乏。如果宇宙中存在相等数量的物质和反物质，我们将可能看到围绕我们的这些反应。既然我们的周围并不存在反物质，我们也不会看到物质和反物质碰撞所产生的光。 在大爆炸产生时粒子数超过反粒子数是可能的。如上所述，粒子和反粒子的碰撞把两者都破坏掉了。并且因为开始的时候有更多的粒子存在，所以现在的粒子是所有留下来的那些。今天在我们的宇宙中可能已经没有留下任何天然的反粒子。但是，在1977年科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源。如果那个地方真的存在，也意味着存在天然的反物质，所以我们将不再需要制造反物质。 但是目前，我们将不得不创造我们自己的反物质。幸运的是，通过使用高能粒子对撞机（也叫做离子加速器）这种技术制造反物质是可行的。离子加速器，象CERN，是沿很强的环绕的超磁场排列的一些巨大的隧道，超磁场可以使原子以接近光速的速度推进。当原子通过加速器出来时，它轰击目标，创造出粒子。这些粒子中的一些就是用磁场分离的反粒子。这些高能离子加速器每年只能产生几个毫微克的反核子。一毫微克是一克的十亿分之一。所有一年之内在CERN产生的反核子只够一个100瓦的电灯泡亮3秒钟。如果要用反核子进行星际旅行将需要消耗几吨才能实现。 暗物质 什么是暗物质？暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%以上的物质含量，而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到(约5％左右)。暗物质无法直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。 几十年前，暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。 大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。 在引入宇宙膨胀理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。 当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。 暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。 不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。 另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。 在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果为n=0.99±0.04。 但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。 最被看好的暗物质候选者 长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方，并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。 低温无碰撞暗物质（CCDM）被看好有几方面的原因。第一，CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二，作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后，由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是，在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。 其中一个候选者就是中性子（neutralino），一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。 另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重中微子。 20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的冷“微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。 轴子模型是否成立，最终得由实验裁决。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒期间内，直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人，每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。 为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。 在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。 当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。 暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。 暗物质的踪迹 暗物质是相对可见物质来说的。所谓可见物质，除发射可见光的物质外，还包括辐射红外线等其他电磁波的物质。虽然宇宙中的可见物质大部分不能用肉眼直接看到，但探测它们发出的各种电磁波就可以知道它们的存在。暗物质不辐射电磁波，但有质量。 科学家为什么会提出“暗物质”这个概念？宇宙中有没有暗物质？ 在物理学中，把状态变化的“转折点”成为“临界点”，比如水变成冰，温度临界值（或者说“临界点”）为0℃。宇宙学的研究认为，宇宙中物质的平均密度，与决定宇宙是膨胀还是收缩的临界值，相差不会超过百万分之一。可是，宇宙中发可见光的恒星和星系的物质总量不到临界值的1%，加上辐射其他电磁波的天体，如行星、白矮星和黑洞等，最多也只有临界值的10%。 现已知道，宇宙的大结构呈泡沫状，星系聚集成“星系长城”，即泡沫的连接纤维，而纤维之间是巨大的“宇宙空洞”，即大泡泡，直径达1~3亿光年。如果没有一种看不见的暗物质的附加引力“帮忙”，这么大的空洞是不能维持的，就像屋顶和桥梁的跨度过大不能支持一样。 我们的宇宙尽管在膨胀，但高速运动中的个星系并不散开，如果仅有可见物质，它们的引力是不足以把各星系维持在一起的。 我们知道，太阳系的质量，99.86%集中在太阳系的中心即太阳上，因此，离太阳近的行星受到太阳的引力，比离太阳远的行星大，因此，离太阳近的行星绕太阳运行的速度，比离太阳远的行星快，以便产生更大的离心加速度（离心力）来平衡较大的太阳引力。但在星系中心，虽然也集中了更多的恒星，还有质量巨大的黑洞，可是，离星系中心近的恒星的运动速度，并不比离得远的恒星的运动速度快。这说明星系的质量并不集中在星系中心，在星系的外围区域一定有大量暗物质存在。 天体的亮度反应天体的质量。所以天文学家常常用星系的亮度来推算星系的质量，也可通过引力来推算星系的质量。可是，从引力推算出的银河系的质量，是从亮度推算的银河系质量的十倍以上，在外围区域甚至达五千倍。因而，在那里必然有大量暗物质存在。 那么，暗物质是些什么物质呢？ 宇宙学研究发现，在宇宙大爆炸初期产生的各种基本粒子中，有一种叫做中微子的粒子不参与形成物质的核反应，也不与任何物质作用，它们一直散布在太空中，是暗物质的主要“嫌疑人”。 但中微子在1931年被提出来以后，一直被认为质量为零。这样，即使太空是中微子的海洋，也不会形成质量和引力。曾有人设想存在一种“类中微子”，它的性质与中微子类似，但有质量。可是一直没有发现“类中微子”的存在。 极小的中微子运动速度极高，可自由穿透任何物质，甚至整个地球，很难被捕找到。但中微子与物质原子和亚原子粒子碰撞时，会使他们撕裂而发出闪光。探测到这种效应就是探到了中微子。但为了避免地面上的各种因素的干扰，必须把探测装置（如带测量仪器并装有数千吨水的水箱）放在很深（如1000米）的地下。 1981年，一名苏联科学家在试验中发现中微子可能有质量。近几年，日、美科学家进一步证实中微子有质量。如果这个结论能得到最后确认，则中微子就是人们寻找的暗物质。 寻找暗物质有着重大的科学意义。如中微子确有质量，则宇宙中的物质密度将超过临界值，宇宙将终有一天转而收缩。关于宇宙是继续膨胀还是转而收缩的长久争论将尘埃落定。。* r, i! |5 _9 Y4 [5 c3 w
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