发布时间 : 星期六 文章南京大学-天文学史-选修课更新完毕开始阅读
丹麦天文学家赫茨普龙(E. Hertzsprung, 1873—1967)指出勒维在小麦哲伦云中发现的变星是造父变星。进一步指出，在银河系中求一颗造父变星的距离r，视星等m和光变周期P即可把勒维特周光关系图的纵坐标m改为M。这就是周光关系的零点问题。 1915年沙普利用11个造父变星的自行和视向速度资料，求得造父变星统计视差，得到lgP与M的关系图。
4．沙普利和科蒂斯的辩论
1920年4月，在美国科学院召开了“宇宙的尺度”辩论会，论题是银河系的大小、结构和旋涡星云的真相。 三、哈勃的工作
1923年美国天文学家哈勃(E. P. Hubble, 1889—1953)拍仙女座大星云照片，外围分解成恒星，证认出第一颗造父变星。
1924年证认出更多造父变星。并在三角座星云M33和人马座星云NGC6822中发现了一些造父变星。他用周光关系定出这三个星云距离。证明它们在银河系之外。
1924年底哈勃在美国天文学会宣布这一发现，确证银河系外存在星系。打开了探索宇宙的新的一页。
20世纪40年代，德国科学家巴德(W. Baade, 1893—1960)拍摄仙女座大星云照片，核心部分也分解为恒星，证明旋涡星云是恒星系统。 四、河外星系发现史中的教训
（1）反映了认识客观世界的曲折性
（2）在科学研究工作中，必须使用辩证思维，全面地看问题，力戒形而上学和片面性。
第十五章 赫罗图与恒星演化
一、赫罗图的建立
1．哈佛的恒星光谱分类
1884年美国哈佛大学天文台长皮克林(E. C. Pickering, 1846—1919)
开展恒星光谱巡天计划。19世纪末又在秘鲁阿雷基帕建观测站，开展南天恒星光谱巡天观测。
从事光谱分类的有弗来明夫人(Mrs. Fleming, 1857—1911)、莫里小姐(A. C. Maury, 1866—1952)和坎农小姐(P. Cannon, 1863—1941)。
坎农提出一种由O、B、A、F、G、K、M等型，以字母后跟数字表示。一生完成36万颗恒星光谱分类。这是哈佛光谱分类法。 2．赫茨普龙的工作
（1）发现同一光谱型中有光度不同的恒星
20世纪初丹麦天文学家赫茨普龙开始以莫里的光谱星表为基础开展恒星分类研究。 ①把每颗恒星的自行都归算到视星等为零的自行值。 ②求出各类星的平均自行。
1905－1907年得出一项十分重要的发现：在同一光谱型的恒星中，有些类恒星比其他恒星的平均自行小得多，表明它有特别大的光度。称之为巨星。而称光度较小的为矮星。巨星比矮星少得多。
赫茨普龙的这一成果，是人类对恒星认识和分类上的一大飞跃。作出了根据恒星不同光谱特征而作的本质分类，发现了同一光谱型的恒星中有着光度截然不同的两类恒星。 （2）通过星团探讨光谱型和光度关系
1911年赫茨普龙刊布了昴星团和毕星团的颜色-星等图。
25
3．罗素的工作
1902－1905年美国天文学家罗素(H. N. Russell, 1877—1957) 在英国剑桥大学天文台与海因克斯(A. R. Hinks, 1873—1945)用照相方法测恒星视差，推算绝对星等。
1913－1914年罗素发表其关于恒星光谱与光度关系的研究工作，刊布了光谱－光度图。 此图被称为赫茨普龙－罗素图。简称赫罗图或称HR图。 赫罗图的建立是天体物理学发展史上一个里程碑。它全面地展现了恒星的丰富多样性；提示了恒星世界深刻的内在规律，即恒星特性的序列性，实现了对恒星的科学分类；为恒星演化的研究奠定了基础。 二、早期的恒星演化理论
1913年罗素作了根据赫罗图探讨恒星演化的最早尝试。认为恒星沿主星序由早型星向晚型星演化。但是，波江座40B(40B Eri)和天狼星（αCMa）的暗伴星等这类白矮星不能解释。 三、爱丁顿的质光关系
1924年英国天文学家爱丁顿（A. S. Eddington, 1882—1944)根据他的恒星内部结构理论，提出了恒星的理论质光关系式。
这一关系的确立完全改变了人们对主序星的传统观念。从而，罗素的演化理论逐渐被抛弃。 四、恒星的能源问题 1．自身引力收缩论
1854年德国物理学家赫姆霍茨(H. von Helmholtz, 1821—1894)提出太阳的能源来自于自身引力收缩。
罗素的恒星演化理论以此为根据，而推出太阳年龄仅2000万年。 2．质子与电子的相互湮灭论 根据相对论的质能关系 E＝mc2
认为质子与电子结合而“湮灭”释放能量。 3．核聚变反应
1937－1939年德国的魏茨泽克(C. F. Weizs?cker, 1912— )和美国的贝特(H. A. Bethe, 1906— )相继提出在恒星中可能存在由4个氢核聚变成一个氦核的两种原子核反应。 这揭示恒星能源本质，有力地推动了恒星演化理论发展。 五、恒星演化的研究 1．V－R定理
1926年沃格特(H. Vogt) 与罗素各自导出：处于平衡态的恒星，其温度和光度由其质量和化学组成确定。这就是沃格特－罗素定理，简称V－R定理。 此定理为应用赫罗图探讨恒星演化提供了扎实基础。 2．恒星演化的现代理论
经过许多天文学家, 其中特别是
1952年，桑德奇(A. R. Sandage, 1926— )和M．史瓦西(M. Schwar- schild, 1912— )提出恒星在主星序后迅速向红巨星演化。
1957年，桑德奇绘出了10个银河星团和一个球状星团的组合赫罗图，不同年龄的星团其赫罗图形状不同。
1961年，日本天文学家林忠四郎(Hayashi Chushiro, 1920— )，研究了恒星的演化程。 至20世纪60年代，恒星一生在赫罗图上的理论演化曲线已相当清晰。 ①原恒星阶段。 由引力收缩至核心点燃氢-氦核反应。
②主序星阶段。 由核心氢-氦核反应提供稳定能源，引力与辐射压相平衡，是恒星一生中最稳定、时间最长的阶段。
26
③红巨星阶段。 恒星中心氢耗尽，氦核坍缩，外壳急剧膨胀。氦核中心升温，启动氦-碳核反应。
④不稳定阶段。 形成行星状星云。
⑤致密星阶段。 质量与太阳相当的恒中央星形成白矮星。质量为4－10M⊙的恒星还能产生碳聚变热核反应，最后产生超新星爆发，中心形成中子星或黑洞。
第十六讲 广义相对论的诞生和现代宇宙学的发展
一、狭义相对论引起的时空观革命 1．19世纪末物理学的危机
在经典力学体系中，在牛顿的绝对空间中充满“以太”。
1887年美国物理学家迈克耳逊(A. A. Michelson, 1852—1931)和实验物理学家莫雷(E. W. Morley, 1838—1923)做了检测地球相对于以太运动速度的实验（迈克耳逊－莫雷实验）。结果表明地球与以太之间不存在任何运动。 2．狭义相对论的创立
1905年爱因斯坦(A. Einstein, 1879—1955)发表“论动体的电动力学”，提出了狭义相对论。其基本出发点为：
①推广伽利略的相对性原理。 ②光速不变原理。
狭义相对论否定了牛顿的绝对时空观，揭示了时间、空间与物质运动之间的密切相关性。时间和空间是一个统一体，构成了四维时空。
爱因斯坦还揭示了质量m和能量E之间的关系，即 E＝mc2。
二、广义相对论的诞生
1916年爱因斯坦发表“广义相对论的基础”，对引力场的本质提出了与牛顿的引力理论完全不同的解释。
广义相对论的时空观念比狭义相对论更加深刻和彻底，认为空间和时间不能脱离物质而存在；物质消失了，时间和空间也就一起消失，总之，时间、空间和物质本身是不可分离的。这是相对论所揭示的时空的根本特点。 三、广义相对论的天文学验证 1．水星近日点的反常进动
按广义相对论理论计算，行星近日点的反常进动为
Δω＝24π3a2 / c2 T2(1-e2) 对水星计算结果为43.03″／cent。 2.光线在引力场中的偏转
对于经过离太阳中心Δ个太阳半径处的光线而言，光线偏转角为
a＝1.7″/Δ
1919年爱丁顿率队到非洲西部的普林西比岛观测3月29日的日全食，另一队到巴西的索布勒尔。两队测得太阳边缘处的偏转角分别为1.61″和1.98″。 3.光线的引力红移
广义相对论预言强引力场中时间进程较慢，光谱的谱线向红端移动。
1915年美国天文学家W．S．亚当斯(W. S. Adams)发现天狼星位星为白矮星。 1924年爱丁顿算出其密度为53kg／cm3，并算出其谱线红移量。
1925年亚当斯用2．5m口径望远镜测出谱线红移，观测值与理论值符合。 4．电磁波传播的引力延迟
电磁波传播途径受引力场影响会产生延迟现象。
27
1967－1970年美国天文学家夏皮罗(I. I. Shapiro, 1929— )等人在水星、金星处于上合时用雷达进行测量。结果与按广义相对论计算的理论值完全符合。 四、现代宇宙学的发展
1．爱因斯坦的静态宇宙学模型
1917年爱因斯坦发表“根据广义相对论对宇宙所作的考查”。这篇论文是现代宇宙学的奠基之作。
文中首次提出宇宙学原理。
通过求解引力场方程，建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型。 在场方程中引入了具有斥力性质的“宇宙项”。 2．弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙模型
1922年苏联数学家弗里德曼(A. A. Φρидман, 1888—1925)发表“论空间的曲率”，重新求解爱因斯坦的引力场方程。指出此方程既存在静态解，也存在两类膨胀解和一类振荡解。
宇宙到底是膨胀还是振荡取决于宇宙平均密度ρ与临界密度ρC的比值，后者还决定了空间曲率κ。
ρ＜ρC， κ＝－1，双曲型开放宇宙
ρ＝ρC， κ＝0， 欧几里得平直型开放宇宙
ρ＞ρC， κ＝＋1 无界、有限闭合型宇宙，振荡。 ρC＝3H2G/8πG
H＝50h kms-1Mpc-1, 为哈勃常数。 h＝0．8－2。
1927年比利时天文学家勒梅特(G. Lema?tre, 1894—1966)发表“考虑河外星云视向速度的常质量增半径均匀宇宙”，求解引力场方程，建立一个膨胀宇宙模型，并以宇宙膨胀解释河外星云的退行。
3．宇宙膨胀的观测效应
1929年美国天文学家哈勃由观测资料总结出哈勃定律：河外星系的谱线红移与它的距离成正比。
V＝HD。
其中，H称为哈勃常数。 4．稳恒态宇宙模型
1958年英国天文学家邦迪(H. Bonti, 1919— )、戈尔德(T. Gold, 1920— )和霍伊尔(F. Hoyle, 1915—)提出稳恒态宇宙模型。提出广义宇宙学原理，承认宇宙膨胀，认为物质不断地从虚空中创生出来。
90年代改进为准稳恒态宇宙模型。 5．大爆炸宇宙模型
1932年勒梅特提出观测宇宙是由一个极端高热、极端压缩状态的原始原子大爆炸而产生的。
1948年俄裔美国物理学家盖莫夫(G. Gamov, 1904—1968)发表“宇宙的演化”，还与阿尔弗(R. A. Alpher)、贝特(h. A. Bethe, 1906— )发表“化学元素的起源”，探讨宇宙早期的元素合成(αβγ 理论) ，还预言有大爆炸残留的背景辐射。阿尔弗和赫曼(R. C. Herman)进一步指出这种残留的背景辐射可能相当于温度为5K的黑体辐射。
1965年美国科学家彭齐亚斯(A. Penzias, 1933— )和R. W. 威尔逊(R. W. Wilson, 1936— )探测到3K微波背景辐射，证实了盖莫夫等的预言。
28