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作者:小科学家训练营编委会

出版社:吉林出版集团有限责任公司

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一眼望不到边的大宇宙

一眼望不到边的大宇宙试读:

“宇宙”这个词是怎么来的?

“宇宙”这个词是怎么来的呢?原来在中国古代的战国时期,有一个哲学家叫尸佼,他写了一部名叫《尸子》的书,书中说:“四方上下曰宇,往古来今曰宙。”他用“宇”代表上下四方,就是指所有的空间,用“宙”代表古往今来,也就是指所有的时间,“宇”“宙”两个字合起来就是空间和时间的统一,《尸子》把“宇宙”看作天地万物的总称,后来人们又习惯用“宇宙”来指整个客观实在的世界。在现代的哲学界,宇宙的定义是“普遍、永恒的物质世界”,哲学家把空间、时间、物质运动作为一个整体来看待,认为宇宙是无限的。而在自然科学上,宇宙实际上是指总星系,是人们目前所能观测到的宇宙空间,就是说能从物理现象上进行解释的空间。在这里,宇宙不再是那么虚无缥缈,而是可以人为观测到,甚至借助现代科技还能实际体会、触摸到。

接下来我们就走进这个神奇的领域,探索这个充满无限想象的时空。

宇宙是怎么形成的?

大多数人认为,宇宙是 “大爆炸”之后形成的,“大爆炸”用英文表达就是“Big Bang”,那到底什么才是宇宙的“大爆炸”呢?

大约137亿年以前,宇宙还不像现在这样无边无际,它只是一个很不起眼的小球体,甚至需要借助显微镜才能观测到。当时的宇宙温度和密度达到了一定的高度,球体瞬间快速地膨胀起来,并且越来越大,就像一个巨烈燃烧的大火球,终于达到极限发生了爆炸。也许你以为这需要持续很长时间才能完成,然而大爆炸却发生在我们无法体会的短时间内,甚至不能用分秒来计算。

当爆炸发生后,宇宙因为不断膨胀变得越来越大,本来很高的温度反而在很短的时间内迅速降了下来,在这个过程中由于能量相互碰撞产生了宇宙中的小粒子,这些小粒子后来变成了太阳、地球、星星等星体。

宇宙是不是就在大爆炸的那一刻停止膨胀了呢?事实上并没有,宇宙直到今天仍然在持续膨胀着,只是不像最开始那样迅速。

大爆炸之后,几亿年的时间里,数百万乃至数千亿的星星汇集在一起形成了巨大的天体——银河。大约经过了90亿年的时间,距离现在大约46亿年的时候,我们的太阳和地球就形成了。

为了观测遥远的宇宙星空,世界各地的科学家都在不断探索研究,有很多国家发明出了高性能望远镜,比如日本,生产出一种“昂星团望远镜”,竟然可以看到距离我们居住的地球130亿光年外的天体。也就是说用这种望远镜可以观测到大爆炸之后不久形成的天体。(光年是一种长度单位,指光在真空中沿直线传播一年的距离,是用时间和光速计算出来的,专门用来衡量天体间的距离。)现代科学技术的发展日新月异,科学家们的发明能够帮助我们了解更多宇宙的知识。我们相信虽然宇宙有着无穷的奥秘,但是随着科学技术的发展和航天技术的进步,我们一定会揭开宇宙神秘的面纱!

宇宙到底有多大?

在提出这个问题时,我们对宇宙有个事先界定,这里我们谈论的不是宇宙的年龄,而是宇宙的范围。所指的范围则是可见的宇宙,也就是以我们所生存的地球为中心,其半径是宇宙作为一个点从诞生到大爆炸,开始向外迅速膨胀以来,光所通过的空间距离。

在天文学上,采用的计量单位是“光年”,即光在真空中沿直线传播一年的距离。光的速度大约为每秒30万千米,一光年约为9.46万亿千米。按照这个算法,银河系的直径约为10万光年。而在银河系之外还有别的星系,距离我们有数亿光年。如此遥远的距离真让人难以想象,而天文学家的任务就是准确地测量出宇宙的大小和范围。

天文学家测量天体距离的方法有很多种,其中亮度测定法被广泛应用。亮度测定法简单来说,就是通过观测星球的实际亮度和我们视觉亮度之间的差异,从而能准确测出恒星与地球之间的距离。

类星体是宇宙中最明亮的天体,它比正常星系亮1000倍,横跨半个宇宙都可以看到。所以天文学家常把它设定为计算宇宙距离的一个标杆,称为“标准蜡烛”。但是至今,天文学家不断地在更远的距离发现类星体。那么,哪一个类星体才能作为“标准蜡烛”,成为一个新的问题。因此,聪明的天文学家在运用这一测量方法时,往往采取分步骤进行的方式,即设立一系列“标准蜡烛”,每一步骤只为下一步的测定做好铺垫。

近年来,天文学家提出三种不同的“标准蜡烛”,即近红外线观测造父变星、行星状星云和麻省理工学院的约翰·托里的成片星系,都使人趋向于认为宇宙有110亿~120亿光年大小。

而天文学家最新发现的类星体位于我们目前所能观测到的宇宙边缘,与地球相隔100亿~200亿光年,是迄今我们所知道的最遥远的天体。

总而言之,通过科学的不断进步,天文学家不断努力,将来我们会发现宇宙远比我们想象的要大的多。

宇宙里都有什么呢?

宇宙里是空无一物还是充满了物质,这个问题你有没有想过?

动一动脑我们就能知道宇宙中是有物质存在的,因为和我们生活密切相关的地球、太阳等星体就存在于宇宙中,除了这些,宇宙中还有什么物质呢?其实宇宙中还有行星、星云等各种星体。

恒星位置相对固定,所以古时候的人们认为它们是不动的,因此称其为恒星。其实是因为它们距离我们太远,不借助特殊工具和方法很难发现它们和地球位置的变化。恒星自身会发光,例如太阳就是恒星。恒星不但会自转,还会在宇宙中以不同的速度移动。

行星是与恒星相对而言的,它们是沿椭圆形轨道围绕恒星运行的星体,它们本身不发光,有时我们用肉眼却可以观测到它们发出光,这是因为它们反射了恒星的光。

星云是云雾状的物质,由气体和尘埃组成,分布在银河系或其他星系的空间中,形状多姿多彩,千变万化。

除了上面提到的星体,还有“星系”,它由星星成群地聚在一起,形成宇宙中庞大的星星“岛屿”,也是宇宙中最大、最美丽的天体系统之一。

在晴朗的夜晚,抬头仰望星空,会看到一条横贯天空的“河”,这就是我们常说的“天河”。它就是银河系,闪亮地存在于宇宙中。

你知道通古斯大爆炸吗?

1908年6月30日上午7点多,在今天的俄罗斯西伯利亚通古斯河附近,发生了巨大的爆炸。当天早上,在几百千米外的人都看到一个巨大的火球划过天空,像太阳一样亮,并且看到了蘑菇云行升起,人们能感觉到强烈的震动,有的人家里的玻璃都被震碎了,接着一道强光照亮了天空。往后的两天,北半球的很多地区都没有了黑夜。据说这场爆炸的威力相当于近亿吨的炸药同时爆炸,造成方圆3000千米内的8000多万棵树木被焚毁。

关于这场爆炸产生的原因,科学界有很多说法,有的认为是陨星在空中爆炸引起的,有的认为是彗星撞击地球,还有的认为是外星人袭击地球呢。“通古斯大爆炸”的原因至今还是一个谜。

是什么让太空变得拥挤?

很多大城市由于外来人口的加入,变得越来越拥挤。太空中并没有人类居住,那么是否也存在拥挤的问题呢?答案是肯定的。

人类为了探索宇宙的奥秘,向太空中发射了很多人造天体,比如空间站、人造卫星、运载火箭,等等。由于这些人造天体的增加,太空变得越来越拥挤。

这些人造天体在互相碰撞后产生了很多碎片,火箭在分解后也能产生残骸,这些物体累计起来多达4万多个,却又没人清理,它们飘浮在太空中,就成了太空垃圾。此外,太空中大约有7000个大型物体,其中包括2000个仪表装置,它们都位于距离地面500~900千米的高度。但是在这些仪表装置中,却有95%是闲置或者损坏的,只有剩下的5%在运行。除了上面提到的,还有大约300万个微粒,可能中剥离的涂料或是尘埃。千万不要小看这些微粒,它们能产生很大的危害,其中的一些微粒能够以28.8万千米/小时的速度前进,会造成国际空间站的窗户出现裂纹,给空间站带来不必要的麻烦。所以无论在哪个时空,人类都应该有爱护环境的意识。

你知道“宇宙岛”吗?

宇宙像海洋一样浩瀚无垠,每个星系就如同海洋中的岛屿一样四处分布着,科学家就借用“宇宙岛”来称呼宇宙中的众多星系,非常生动形象。“宇宙岛”最早出现在德国博物学家洪堡1950年出版的《宇宙:物质世界概要(第三卷)》中。“宇宙岛”又称“恒星岛”、“恒星宇宙”,是科学家们对恒星分布的一种形象称呼。

对“宇宙岛”的研究,最早可以追溯到16世纪末意大利的思想家布鲁诺。他提出了对恒星世界结构分布的猜想,认为恒星都是距离地球很遥远的太阳。关于他的这个猜想,直到18世纪中叶,在初步测定恒星视差的尝试中才得到证实,历经了近两个世纪之久。在这个基础上,科学家们还进一步证实了遥远的恒星都是能够发光发热的球体。

1750年,英国人赖特提出了银河系的概念,他假设天上所有的天体共同组成一个像磨盘一样的扁平系统,银河系就是这个磨盘,恒星在银河系中密集分布一样,太阳也是其中的一员。五年之后,也就是1755年,德国哲学家康德发展了赖特的思想,他在著作《自然通史和天体论》中提出“广大无边的宇宙中有数量无限的世界和星系”,这是“宇宙岛”的最早渊源。

随着科技的发展,天文研究和观测手段获得了很大的进步,到1924年前后,天文学家又发现了仙女星系的存在,这有力地证明了在银河系以外还有其他星系的存在。

猜想得到证实,所需要的时间越来越短,人类科学技术的快速发展起到了至关重要的作用,相信不久的将来,更多的猜想得到证实,宇宙将不再变得神秘。

什么是银河系?

银河系是“宇宙岛”众多星系中的一个,年龄约有150亿年,直径大约为10万光年,比其他星系稍微大一些。它主要由约2000亿颗星组成,分为中央核球和旋臂两大部分。核球的直径有3000光年,呈椭球形,太阳系大约1/5的星,即400亿颗都集中分布在核球区域,并且这些星都是年龄超过100亿年的“老年星球”。旋臂有四只,缠绕在核球的四周,这部分主要是气体和尘埃混杂的区域。

从整体上看,银河系的外形很像一个扁平的盘子,中间厚、边缘薄,中间的这个圆盘又被称为银盘,是银河系的主体部分,直径大约为8万光年,中间厚的部分能达到1万光年,边缘处也有3000~6000光年。银河系的主要物质都集中在这个盘状结构里,这些物质主要是年龄不到100亿年但是重金属含量较高的星球。

在银盘的外面,还有稀疏的恒星和星际物质组成的球状体分布着,它们分布在银盘的四周,这部分又被称为银晕,直径约有10万光年。在银晕的外围,是暗晕,因为这里有不能用可见光看到的天体。

银河系也是太阳所在的恒星系统,太阳系位于银河系的一只旋臂上,银河系的总质量是太阳质量的1400亿倍,这么巨大的质量主要是什么呢?据了解,恒星的质量约占总质量的90%,余下的10%则是星际物质。

银河系很大吗?

银河系的总质量是太阳质量的1400亿倍,太阳对我们来说已经十分巨大了,银河系就更不用说了。它到底有多大呢?

数字是最有力的说明,我们都知道银河系是一个十分庞大的天体系统,主要由数目众多的恒星、星团、星际物质以及其他天体组成,银河系中光星星就有1000多亿颗,再加上星际物质,它庞大到简直让人难以想象。

前面提到银河系是一个不规则的星聚体,它由银盘和旋臂组成,所以要说银河系的大小要分几部分来说。

银盘,这是星系的主体,直径约8万光年,中间部分厚约6000光年,太阳附近银盘的厚度是3000光年。银心,星系的中心突出部分,是一个很亮的球状体,直径约为2万光年,厚度是1万光年,这个区域主要由高密度的恒星组成。银晕,银河系的晕轮,是分散在银盘周围的一个球形区域,直径约为9.8万光年,这部分的恒星密度很低,分布着一些由“老年恒星”组成的球状星团。

你知道银河系的组成吗?

银河,在我国古代有“天河”、“河汉”、“银汉”、“星汉”等许多雅号。在神话传说中,也正是它,使得牛郎、织女只能隔“河”相望,不能夫妻团圆。那么,银河系具体是由什么组成的呢?

夏天的夜晚,我们抬头望向天空时见到的银白色的河就是银河。银河系是指银河里的一切星星,连太阳也包括其中。银河系是整个宇宙岛的一部分,所以它的组成和宇宙的组成有些类似,说得具体一点,银河系包括各种恒星、星团和星云。

恒星就是我们在夜间所能见到的满天星斗,如北极星、牛郎星、织女星等。它们位置相对固定,不借助特殊工具和方法很难发现它们位置的变化,它们不但会自转,还会在宇宙中以不同的速度移动。据估计,银河系里的恒星有1000亿颗。

星团是在一起转动的一群星,用肉眼去看,也许只能看到七八颗,但借助高性能的天文望远镜,就会观测到大小不一、七八百颗星组成的星团,当然这只是我们目前观测到的,如果设备更先进,也许还能看到更多的星星。

不管我们用放大多少倍的望远镜,总也观测不出星云的运动轨迹,这是因为星云是一种云雾状的物质,由气体和尘埃组成,分布在银河系星体的空间,形状多变。

银河系是中间厚,边缘薄,有人说像一个圆饼,有人说像一个扁盘。恒星在银河系的分布上,中间厚的地方星星多,四周薄的地方星星少。人马座是银河系中星体最密集的地方,尤其是斗柄和箕宿四颗星的内部,看上去就像一块白云停在那儿。根据天文家的研究,大多数星团都集中在人马座,因此可以把它看作银河系的中心。

地球所处的太阳系是在距银河系中心2.8万光年的位置,位于银河系第三旋臂——猎户旋臂上。

天体怎么都是球形的呢?

在人们的印象中,天体都是球形的,月亮是圆的,太阳是圆的,地球也是圆的。笼统地说,“天体都是球形”。这样的话没错,但是这里说的球形并不是十分标准的球形,它只是看上去像球罢了。

事实上,我们人类居住的地球,并不像我们看到的地球仪那样圆,它是一个两极稍扁的扁球形。我们知道的木星和土星,因为它们大气密度很高,所以它们的两极看上去更扁。

那么,是什么导致天体看上去都是球形,而不是方形或者其他奇怪的形状呢?原来,这是万有引力作用的结果。根据牛顿定律,我们知道任何物体都会对其他物体产生吸引力,万有引力的大小与两个物体间距离的平方成反比,而与物体之间的位置没有关系,因此,天体中无数不均匀分布的粒子,都倾向于聚在一起形成球状的团。

举个例子,假设在宇宙大爆炸之后的一段时间里,由大量不均匀分布的粒子形成了分布不均的物质云,粒子虽然彼此吸引,但是整体的万有引力没有达到平衡,存在某种外力使其旋转,两个天体间就有万有引力的存在,使分散的物质云慢慢聚合在一起。因为一些外力的作用以及它本身的粒子不均匀,也使自身进行旋转,从而形成一个不完美球形的旋转天体。它自身旋转的速度越快,形状就越接近扁圆形,加上自身的物质密度,以及电磁、摩擦和热力的原因,最终导致球体的形成。

我们选用外观接近标准球形的台球进行实验,让它充分旋转,它的外观并不会发生变化,如果换成一个充水气球,我们就能发现它在旋转后变成中间凸出,两头扁平的扁球形。天体不但质量大,而且具有很高的自转速度,在某些情况下,赤道附近的某些粒子可能会被甩开,有些人形象地称之为“瘦身运动”,通过同样的旋转以及其他因素的共同作用,这些被甩开的“赘肉”又会形成球状的卫星。

太阳系中都有什么?

太阳系是银河系中的一个星系,是受到太阳引力的约束并以太阳为中心的集合体。它由8颗行星、165颗以上的卫星以及数不清的小行星、彗星、星际尘埃等小天体组成。太阳是太阳系的中心,所有的星体都围绕着太阳旋转。

我们经常提到的八大行星,按照距离太阳远近的顺序,依次是:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。其中,只有地球是目前已知的适合人类居住的太阳系星球,但是它的体积和质量并不是星体中最大的,木星才是最大的。在这八大行星中,除了水星和金星,其他星体都有自己的卫星。木星的卫星数量也是最多的,有23颗,其中,要数“土卫六”的直径最大。地球的天然卫星是月球,现在,随着科技进步,除了月球外还有很多人造卫星呢。

人类最早在1800年1月1日夜,发现了第一颗小行星。到今天,已经有8000余颗小行星被发现,并且注册了编号。但是,这些并不是太阳系中所有的小行星,据了解,还有50多万颗小行星等待着被我们发现。

彗星也就是我们常说的“扫帚星”,整个星体分为彗核和彗尾,彗核的直径超过10万千米。当彗星运行到太阳附近时,太阳风产生排斥,彗尾就有上万千米长,就像一把扫帚,所以人们习惯叫它“扫帚星”。彗星是太阳系中最特殊、形状变化最大的星体,主要由冰物质尘埃组成。

我们常常看到流星,这是因为天体物质在接近地球时,受到地球引力的作用,进入大气层,与大气产生摩擦后燃烧形成的。

因为燃烧会在天空形成一道耀眼的亮光,这就是我们看到的流星。如果很多流星体同时燃烧,还会形成天文学上的“流星雨”,非常壮观。大部分流星会充分燃烧,也有一些较大的流星体没有完全燃烧,落到地面,被称为陨星。

星际尘埃是一些固态的小颗粒,分散在星际气体中。据了解,它的密度相当于气体密度的1%,有人认为星际尘埃可能是由硅酸盐、石墨晶粒以及水等冰状物组成的。

太阳是怎么产生热量的呢?

中国古代神话里有个“后羿射日”的故事,讲的是上古时候有十个太阳,炙烤着土地,导致大地上寸草不生,人们已经到了无法忍受的程度,后羿就用箭射掉了九个,留下一个。一个太阳的热量已经足够满足花草树木生长,让动物和人类取暖。那么你知道太阳的热量是怎么产生的吗?

原来,太阳是个大火球,它表面的温度高达6000℃,这样高的温度是我们没法去体验的,因为气温在40℃的时候人就闷得喘不过气了,100℃的开水就能把我们烫伤,2000℃已经能让铁熔化成铁水,6000℃也许已经足够毁灭地球,但是这对太阳来说不算什么,因为它中心的温度竟然高达15000000℃以上。

这么高的温度是怎么产生的呢?如果燃烧煤的话得需要多少吨煤才能达到这个温度啊?如果煤用完了,太阳岂不是也被烧没了?所以肯定不是烧煤。原来这是一种叫作氢的化学元素,太阳大部分物质是由氢组成的,能量也来自于氢。氢之所以有这么大的能量是因为氢原子核在燃烧的过程中会释放出大量的光和热。这可不是一般的燃烧过程,太阳释放的能量是由氢原子核聚变为氦原子产生的,每秒钟质量为6亿吨的氢经过热核聚变反应转变为5.96亿吨的氦,并释放出相当于400万吨氢的能量。那么有一天氢会不会燃烧完,这个问题不用担心,据科学家目前对太阳内部氢含量的估计,太阳至少还能向地球提供50亿年的光和热呢!

太阳会陨落吗?

46亿年前,宇宙空间中飘浮的气体和微尘互相撞击融合,聚集到一起,并且从中心开始塌陷,产生了浓烈的气体,这些气体不断旋转,形成巨大的旋涡,塌陷的中心后来就变成了太阳。现在太阳的周围仍有大量旋涡状的气体与尘埃,它们互相撞击融合,形成了太阳的八大行星。

太阳在诞生的初期,并不会发光,但是随着温度越升越高,它的中心通过氢原子核聚变为氦原子,释放出巨大的能量,开始燃烧,并且发光、发亮,慢慢形成了我们今天见到的太阳。恒星能通过燃烧自己发出光芒,因此太阳也是一颗恒星。

恒星都是有寿命的,总有一天它们会燃烧完自己,太阳也不例外。那么太阳还能燃烧多少年呢?它的寿命又是多少年呢?科学家研究发现,太阳至少还能继续给地球上的人类提供光和热达50亿年,所以我们不用担心生存的问题。因为太阳是在46亿年前诞生的,这样算起来,它的寿命差不多有100亿年。

不知道你有没有听说过“红巨星”“白矮星”“黑矮星”呢?这是恒星从变老到彻底陨落所要经过的几个过程。

以太阳这颗恒星为例,红巨星是指太阳变老之后的样子,当它燃烧完自己以后,温度不但会下降,体积也会膨胀,变成了又大又红的星球,这样的星球就叫作“红巨星”。

白矮星是指当太阳变成红巨星的时候,会不断膨胀到能把地球吞噬下去,这个时候地球就会被太阳残存的能量给烧得干干净净,然后太阳外围的气体也会不断飞离,只剩下中心区域的星云核心,这部分被称为“白矮星”。

黑矮星是指到了最后,太阳不再发光,彻底陨落的时候所形成的产物。

我们知道太阳变成黑矮星还需要差不多50亿年,所以我们不用担心,如果真到了那个时候,说不定人类已经发现了新的适合人类居住的星球。

你知道太阳是什么样子的吗?

万物生长靠太阳,没有太阳,地球上就不可能有姿态万千的生命现象,更不会孕育出作为高级生物的人类。那么你知道太阳是什么样子的吗?它有什么样的结构呢?

太阳的内部主要分为核心区、辐射层和对流层。太阳的核心区域半径是整个太阳半径的1/4,约为整个太阳质量的一半以上。太阳核心的温度极高,达到1500万℃,压力也极大,这样才使得由氢聚变为氦的热核反应发生,从而释放出极大的能量。

太阳中心区之外就是辐射层,这里的温度、密度和压力都是从内向外递减的。太阳中心区产生的能量的传递主要靠辐射形式,从体积来说,辐射层占整个太阳体积的绝大部分。太阳内部能量向外的传播除辐射外,还有对流过程,这一区间叫对流层。这一层气体性质变化很大,很不稳定,形成明显的上下对流运动。这是太阳内部结构的最外层。

在对流层之外是光球层。太阳光球层也就是我们平常所看到的太阳圆面,通常所说的太阳半径也是指光球层的半径。

光球层以外的一层大气称为色球层,平时不易被观测到,在日全食时,当月亮遮掩了光球层明亮光辉的一瞬间,能看到日轮边缘上有一层玫瑰红的绚丽光彩,那就是色球层。

日冕是太阳大气的最外层。日全食时,我们看到放射状的非常明亮的银白色光芒即是日冕。日冕的温度比色球层高,可达上百万℃呢。

哪些天体围绕着太阳转呢?

作为太阳系的中心,太阳的周围有很多天体围绕着它旋转,这些天体都是谁呢?

首先是八大行星,按照距离太阳从近到远的顺序,依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。其次,还有一些比较小的行星,据统计,有3000多颗是被发现并编号的,但这并不是最终数据,科学家预测在木星和火星之间的小行星带,还有更多的行星有待人们去发现。还有彗星,也就是我们经常提到的扫帚星,目前大约有1700颗被观测到,但是现实存在还没被发现的彗星比这个数字更多。还有流星体,也是不得不提的一部分,它们在行星与行星之间的宇宙空间广泛存在着,有些是几十吨重的大石块,有的却是几克的微尘,所以它们的数目无法精确统计。

除了直接围绕着太阳转的这些大行星、小行星、彗星和流星体,还有绕着行星转的卫星,它们也可以算作围绕着太阳旋转的天体,现在已经发现的卫星有50多颗。

太阳和围绕着它旋转的这些天体一起组成太阳系,它们好像一个大家庭一样,在这个“大家庭”里,太阳是绝对的“家长”,因为在太阳系中其他所有的天体合起来才占0.2%,而太阳自己就独占99.8%。正因为这个原因,太阳利用它强大的引力,“控制”着其他天体围绕着它旋转。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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