人类探索太阳系的第二个里程碑是哥白尼(1473-1543)的 心地动说。哥白尼井非简单地重申前人的日心地动观点,他 创立了日心地动理论,并能较成功地解释,计算和预报日、月 行星在天球上相对星空的位置和运动 图125兰天文学森哥自尼 托起哥白尼的人 日,月以及行星相对于蚀星星空的运动,关系到生产和历法,又常被为命运兴 的征。因此,世界各民族普遍重视日,月,行星述行的正确计算和预衩。日心地动说 之所以能克服阻力而兴起,就是国为它能较好地解决这个问题 日心地动观点的景早提出者是古希腊学者阿利斯塔克(约公元前310-250)。他 不仅推断出地球在自转的同时说太阳公转,而且巧妙地证明了太阳比月球大展多,他说 地球烧日公转轨道同蚀星问距离相比,小得就像一个点,以致我们看不到位星相对位置 的变动 与哥白尼日心地动说有渊源关系的另一学 说,是宁世纪长期流行的托勒望(90-168)地 心体系。放你系虽然基于天动地辞的观点,但它 已不同于原始宇宙观。在该体系中,鱼星天作为 个球面周日旋转,日、月、行星在一些轨道 上相对恒星天运动;行星分审次序与现代符合 行星树对星空的运动分别阳两个习速圆周运动的 叠加来计算,哥白尼继承了托勒密体系的正确成 分,但是将太阳和地月系的位置榈互对调,使问 题然开朗,进而创主了目心地动说 开昔勒(1571-1630)在改进哥白尼计算的过程中,发現 了行星运动三定律,推断行屈绕日公转不是匀速圆周运动,而 是非匀速的椭圆轨遭运动。牛顿(1642-1727)集开普勒等学 者之大成,发现了万有引力定律,不仅解决了“行屈为什么作 椭圆运动”和“天体为何能悬在空中”,以及天体自转、重力 和形状等更深层次的理论问题,而且能更精确地计算和预报天 体的运动,成为人类探究太阳系的重要里程碑。 16第一章宇宙
阅读 万有引力定律和海王星的发现 81年,过望远镜发现天王星后,基于牛顿理论和观测数据,人们计算出天王星 的椭因选动轨道。但是,即使计入了木星,土星等天体的引力影响,天王星位置的计算 也思是与观测数据略有偏差。这时,有人怀疑万有引力定律的正确性,但坚持牛顿理论 的学者坚信,这些偏是来自一个尚未发现的行星的引力影响。接此思路,1846年,勒成 耶计算了未知行星的星空位置;接勒威耶的预测,柏林天文台的伽勒展快找到了这颗 知行星一海王星。冥王星也是通过类似方法发现的。这是理论指导实践的精彩范例 近代,由于科技新手段不断涌现,人类对太 阳系的认识迅速扩展。自但利略(1564-1642)首 创利用天文望远镜发现木屈卫屈后,人类利用成 力越来越大的望远镜(图1.28),不断发现新的 行星,卫星,小行星或彗星等太阳系天体。人们 不仅通过望远镜收集更多的天体辐射,而且利用 仪器研究可见光以外的天体辐射,例如高能辐 射,短波,红外线和无线电波等,使天体研究的 内容从运动特征扩晨到天体的各种物理化学性质 的深层次。字航时代到来后,宇航员成精密仪器 陆续被发送到月球、火星等天体,太阳系研究从 观测科学迈向了实验科学的领域 图128元学天文望远键 光学反射望迟 ‖探究恒星世界 近代恒星天文学始于伽利略,他率先用望远镜将银河分解 出恒星,从此,人类应用一切可用的科学和技术,从一切可能 的角度探究,使认识的触角在恒星世界迅速扩展。 第二节探病李宙17
几种研究恒星的经典方法 力学方法追合于研究有关星运动的特征,例扣观测表明,相互绕转的双星明显受 万有引力定律的支配。人们设法测定双星绕转的周期,两星间距高运动速度等,就可 能基于万有引力定律计算恒星的质量,景初一批位星质量的宝贡数据就是通过这种方法 求得的 无学方法可用于测定蚀星的光度《发光总 量)和无语。其中,先语应用最广。恒星无包 居各种流长的辐射、通过特殊仪器将不同波长 的光成分展开,就形成恒星光语(图1.29a)。恒 星光语,特别是其中的光谱线,因憶星物理化 学成等的不间而十差万利,含有大量的信息 被誉为恒星的“指纹”,从中可以探究恒星乃至 星云的温度和化学组成等。 通过光语还可测定怔堇的視向建度。我们 学过声泼的多勒数应:当声源(加啼的 图2恒的光话型 车)远离或接近我们,即有视向途度时,声调 特征册线 会变低或变高,即声淀的频平或泼长发生变化 静止的天体 问样道理,如果蚀星有过离或靠近我们的視向 天体接近地球时(紫移 速度,那么,饱星幅粉的波长也会变长(称为 天体选离地球时(红移 红移)或变短(紫移)(图1.29b)。国此,从恒 星光谱线的泼长位移量可测算蚀星的向速度 128语线位移 人们还利用各种精害仪器测量蚀星的几何数据。除了测定恒星距离外,人们还通过 绕转双星相互遮蔽的观测,测算星的直径等;遇过多年间测量恒星相对于更追远星空 背景的位移量,还可以测定恤星的向速度(图1、30)。求得大量恒星。星云等的位置 和速度后,又可以分析银河系结构及各种天体的分布 观者 130维足速度由向速度和切向通度两分量合属 18|第一章宇宙
已知一批恒星的某些特征以后,人们便探究这些特征量之 间的关系。一且发现规律性的关系,就可以在研究另外的恒星 时,基于这些关系,从已知特征推断宋知特征。这也是人类拓 展认识恒星世界的一条有效途径 温度和光度的关系与质光关 0世纪相,人们测出了一轼恒星的距离、光度和温度,发现90%以上的蚀星分布 在一个尤度随温度增加而增加的条带区域内。这样,对另一些光度未知的恒星,如累能 从老语特征判断它们属于此类悦星,就可以由它们的温度估算光度,再反算出距离。有 了表面温度和光度,还可基于辐射定律估算恒星的大小 们发现,大多数恒星的无度与盾量有对应美系,即弃在无关系。国此,累从 光语特征能够判断出某位星属于此“大多数”,就可以基于盾先关系,从该蚀星的无度 推算质量,或者由它的质量推算光度 事实上,人类基于科学和技术对恒星世界的探究是全方位 的,从天体发射的基本粒子到天体辐射的各种成分,无不详细 地加以研究 图131世界最大的刻电天交远键 射电天文学通过观测天体的无线电波数米一30米}研究天文现象,图中的望这镜位于波多禁 第二节探病宙19
‖!探索星系世界 -)星系的发现 人们在探索恒星世界的间时,还通过望远镜发现了很多云 雾状天体,早期将它们统称为星云。20世纪初,较大望远镜观 察到的星云被分为两大类别。一类在天球上主要沿银河分布 形状松散不定,无规则,光谱显示出气体尘埃特 点,它们很快被确认是银河系内的星云,另一类 星云全天球分布,即大量分市于银河之外,形状 较规则,例如呈椭球状、旋涡状等,光谱显示出 恒屈的特点。人们很自然地猜想,它们可能是同 银河系并驾齐驱的巨大恒屈系统,即河外屈系 924年,美国天文学家哈勃利用最新的大望远 镜,将较近的仙女座大星云的边缘分解出单个恒 星,进而测定出这些恒星的距离远在银河系以 图1比酸阿系大,约220万光年远的仙女座星系 外,首次确认了河外星系(图1.32)的存在 迄今为止,人类已观测到的字宙范围约150亿光年,其中 能探测到的星系数量估计在10亿个以上,有人认为,这部分 宇宙大体就是目前最高的天体系统,称为总星系 二)星系浦线的红移和字宙期 哈勃发现,除少数几个最近的星系外,所有星系的光谱线 都红移,而且红移量与距离成正比:星系越远, 红移量越大,如果多普动效应对系世界仍然 成立,那么,上述观测事实就意味着所有屈系 在远离我们,而且屈系越远,远离速度越大,由 这个推论又可得出我们这部分字宙在影胀的结 论(图1,3),因为在一团影胀的物质中,所有 质点都会相互远离,而且距离越远的质点,相 思考 如果承认宇宙膨胀,请你猜想影胀的原国可能是什么? 20|第一意宇宙