《宇宙与地球》思维导图

根据大学选修课《宇宙与地球》制作的思维导图，内容涉及热点概念，例如黑洞中子星，以及最新的宇宙学研究成果，例如拉尼凯尼亚星系，巨引源等。本思维导图凝聚大量心血，重难点用不同颜色的笔做了标注，是进行宇宙天文知识科普的不二之选～～

宇宙与地球

• 地球宇宙系统坐标
• 天体
  • 宇宙间各 星体总称
  • 分类
    • 星云
      • 恒星在星云中诞生，是星云中气体聚集的结果，又在内部核物质消耗后灭亡。恒星灭亡后，物质散逸到星云中，或者形成新的星云
      • 星际气体和星际尘埃组成的云雾状天体
      • 代表
        • 鸢尾花星云
          • 位置：仙王座
      • 分类
        • 颜光
          • 亮星云
            • 发射星云
              • 氢电离-红色
            • 反射星云
              • 由于散射对蓝光比对红光更有效率（这与天空呈现蓝色和落日呈现红色的过程相同），所以反射星云通常都是蓝色
          • 暗星云
        • 形态
          • 弥漫星云
            • 发射星云
              • 在星云当中/附近有高温且大质量恒星，发出强劲的紫外辐射使星云里面的气体受激而发出荧光 90%化学元素是H
              • 成员
                • 猎户座大幸运M42 NGC1976
                  • M42 梅西耶天体
                • 北美洲星云NGC7000
                • 礁湖星云M8
                • 鹰状星云M16
                  • 创生之柱
            • 反射星云
              • 在星云附近只有较低温度普通恒星，紫外辐射不够强劲，靠星云中尘埃反射附近恒星光线发光
              • 成员
                • 昴星团云
            • 暗星云
              • 星云附近没有恒星，气体不能发光，尘埃也无从反光。暗星云只能在身后亮背景衬托下显出黝黑的身影
              • 成员
                • 代表：猎户座马头星云
          • 行星状星云
            • 质量较小的恒星演化到晚期形成的幸运
          • 超新星遗迹星云
            • 超新星爆发后产生的
            • 成员
              • 金牛座蟹状星云
          • 双迹星云
    • 行星
    • 卫星
    • 彗星
    • 流星体
      • 闯入地球大气，在天空中划出闪亮余迹就叫流星
      • 陨星：一直降落到地面
        • 分类
          • 石陨星
          • 铁陨星
          • 石铁陨星
        • 最大：小行星 最小：宇宙尘
          • 小行星 流星体 宇宙尘 之间自然界不存在绝对界限
    • 星际物质
    • 暗物质
  • 特性
    • 亮度和视星等
      • 星等相差一级，亮度相差5次方√100=2.512倍
      • m-m0=2.5(lgE0-lgE)
      • 普森公式：m=-2.5lgE
    • 光度和绝对星等
    • 星等
      • 概念：为了区分天体亮度强弱而采取的度量单位
      • 划分
        • 视星等
        • 绝对星等
  • 星表
    • 梅西耶天体表
    • 科德维尔天体表
• 第二章 天体系统
  • 概念：在引力的作用下，邻近的天体会集结在一起，组成互有联系的系统，即互有引力联系的若干天体所组成的集合体
  • 六大层级
    • 宇宙网
      • 丝状体/纤维状结构 filament
        • 长城
          • 史隆长城Sloan Great Wall 人类首次发现的大尺度结构
          • 武仙座-北冕座长城
        • 超大类星体群
        • 超星系团复合体
        • 星系板
      • 星系在丝状部分周围聚集，浩瀚星系团在交叉处形成
      • 空洞void
    • 总星系/ 可观测宇宙observable universe/ 哈佛体积
      • 科学宇宙（总星系）←-----→哲学宇宙（全部的时间和空间）
      • 概念：目前观测所及的星系及星际物质总体
      • 范围（目前）：150~200亿年
      • KBC空洞
        • 双鱼-鲸鱼座超星系团复合体 Pisces-Cetus supercluster complex
          • 包括英仙-双鱼超星系团的英仙-飞马链，
          • 双鱼-鲸鱼超星系团
          • 飞马-双鱼链
          • 包括玉夫座超星系团和武仙座超星系团的玉夫座长城
          • 拉尼亚凯亚超星系团 Laniakea
    • 超星系团-Galaxy Super clusters
      • 一级
        • 拉尼亚凯亚超星系团 Laniakea
          • 直径5.2亿光年，包含约10万个星系，内部星系都朝着它的重力中心-巨引源移动，因此也影响了银河系所在地本星系群和本超星系团内部的星系
          • 室女座超星系团 virgo supercluster/ 本超星系团
          • 巨引源 the Great Attractor
            • ##宇宙学家研究微波背景辐射图时，发现银河系的一侧比另一侧的温度要稍微高一点，这种温度差反映到速度上，就是星系两侧恒星每秒有数百千米的速度差。 ##计算表明我们星系正在空间中处于高速运动中（每秒600km,以宇宙微波背景辐射作为静止参考系) ##这意味着遥远宇宙深处（长蛇座与半人马座方向）肯定还有一个质量非常强大的不明天体，正在用自身引力拉扯银河系
    • 星系团/星系群-Galaxy Cluster （小一点叫星系群）
      • 星系群与星系团同级
      • 本星系群/ 仙女座星系群
        • 仙女座星系
          • 北天唯一、肉眼勉强可见河外星系
        • 银河系
        • 三角座星系M33
        • 大小麦哲伦云
          • ①实际不是星云，是星系 ②南天肉眼可见的第二个河外星系 ③离我们最近的两个河外星系
      • 代表
        • NGC5139 已知最大星团
        • 七姐妹星团/卯星团
    • 星系/宇宙岛 galaxy
      • 大量恒星和星云构 成的巨大的天体系统
      • 银河系 Milky Way
        • 我们在天空中看到的是银河系悬臂
          • 北半球
            • 夏天夜半球
              • 朝向银心 看到内侧悬臂
              • 看到包括银核和看起来重合的几条悬臂，更明亮
            • 冬天夜半球
              • 背向银心 看到外侧悬臂
              • 银核中行星稀疏，更黯淡
        • 概念：是由众多恒星 组成的庞大天体系统，是 构成可观测宇宙的基本成员
          • 银河：银河系在天球上的投影
        • 特点
          • 身躯似盘,内脏如球,外形如旋涡,周围镶嵌星团
        • 主要结构
          • 银盘
            • 概念：由恒星组成的盘状结构
            • 垂直分区
              • 薄盘：2.4k~4.8k光年
              • 厚盘：800光年
            • 水平分区
              • 银盘直径（银河系直径） 10万光年
              • 核球
                • 老年红巨星 白矮星
                • 银核——一个小的致密区
                  • 银心
                    • 人马座A(Sagittarius A)
                      • 德国天文学家2008证实人马座A是黑洞 证实了黑洞理论 科学家花16年时间在智力欧洲南方天文台追踪围绕银心运行的28颗恒星 发现了黑洞存在辐射
                        • 黑洞理论依据——爱因斯坦广义相对论
              • 子主题
              • 中央平面——银道面
                • 高温OB恒星集中分布附近，分布密度很高， 上下两侧离银道面渐远处恒星逐渐稀疏，温度也有所降低
                • 银道面气体尘埃最为浓密
            • 银盘内恒星镶嵌在气体和尘埃之中，气体和尘埃在直径和厚度方面都比恒星盘更大，而且越靠近边缘越厚，与恒星盘越靠近边缘处越薄相反
          • 银晕 Galactic halo
            • 老年恒星组成的球状星团
            • 分区
              • 内银晕
              • 外银晕
            • 银冕：银晕之外无恒星分布但存在一个大致呈球形的大射电辐射的区域
          • 银核
          • 悬臂
            • 四条悬臂
              • 英仙臂
              • 人马臂
              • 猎户臂
              • 三千秒差距臂
            • 两条主悬臂
              • Scutum-centaurus Arm 盾牌座-半人马座悬臂 盾牌-南十字臂 半人马座悬臂
              • Perseus Arm 英仙座悬臂
            • 两条次悬臂
              • 矩尺座悬臂/天鹅-矩尺臂/天鹅臂 Norma Arm
              • 人马座悬臂/人马-船底臂 Sagittarius Arm
        • 运动
          • 中心部分接近于刚体转动，外围部分接 近于开普勒转动，中间部分比较复杂
            • 较差自转
          • 太阳相对于银心绕转，速度250km/s, 绕转周期2.5亿年（宇宙年/银河年）
            • 太阳3200万年会穿过一次银道面
              • 距离银道面垂直距离0-245万光年间变动
            • 太阳绕银心转动时，周期性在银道面上上下穿行。因此轨迹就像一条波浪线， 周期为6400万年，每隔3200万年时间穿过银盘
              • 我们大约300万年前刚刚穿过银盘，目前，太阳运动到银道面以北75光年的地方。未来太阳还会继续向北运动，直到1300万年后，太阳与银道面举例将会达到最大的245光年。///之后，太阳会朝银道面运动，在距今2900万年后达到银道面
              • 此前，有天文学家把太阳这种振荡周期与地球上的物种大灭绝周期联系起来，在两个振荡周期之前，也就是6500万年前，太阳处于银道面附近，地球上发生了第五次物种大灭绝。
              • 银道面上引力非常强大，一些天文学家认为，当太阳运动到银道面时，太阳系外围的奥尔特云会收到强大引力的扰乱，导致一些小行星和彗星飞向太阳系，并撞上地球，从而引发物种大灭绝
          • 太阳相对于邻近恒星运动——太阳系20km/s向武仙座方向（近织女星）前进，被称为奔赴点
      • 河外星系
        • 哈勃分类法/形态
          • 椭圆
            • 主要由老龄恒星构成,年轻恒星很少
          • 旋涡
          • 棒旋
            • 银河系
          • 透镜状/荚状
            • 俯视图其实是圆形的 介于椭圆星系和螺旋星系之间 像螺旋星系那样中间鼓起 外围是扁平圆盘，却没有螺旋臂
            • 特点：新恒星少 老恒星多
          • 不规则 Irr型
            • 外形不规则，没有明显的核和悬臂，没有明显对称性 大都是合并中的星系或者是矮星系（卫星星系）
              • 银河系最大卫星星系——大麦哲伦星系 （南半球天空可见）
        • 活动强度
          • 正常
          • 活动
        • 运动
          • 河外星系的运动有自转，还有星系彼此间也有相对运动
        • 星系核
          • 活动星系核
            • 类星体
              • 特大质量黑洞驱动的活动星系核
            • 脉冲星
          • 宁静星系核
    • 古尔德带 Gould Belt
      • D=3000光年,由很多恒星、星际气体构成的星环。推测认为古尔德很可能原先只是银河系外围的一团气体星云，被银河系吸引而撞击到了猎户座的悬臂上，之后渐渐演化成古尔德带。
        • 后又发现，古尔德带是拉德克利夫波的一部分，拉德克利夫波总长9000光年，宽400光年，在银河系平面上下方延伸500光年
    • 本星际泡
    • 本星际云
    • 奥尔特云
    • 恒星系统
      • 代表：太阳系
      • 恒星
        • 由炽热气体组成的，能够自身发光的球体和类似球形的天体
        • 离我们最近：半人马座α/南门二
          • 4.22光年
        • 分类方法
          • 二元分类法-MK系统
            • 基于温度和光度为基础
            • I 超巨星
            • II 亮巨星
            • III 正常巨星
            • IV 亚巨星
            • V 主序星
            • VI 亚矮星
            • VII 白矮星
          • 哈佛分类法
            • 一元分类法——温度为基础
            • O 蓝
              • 参宿一 参宿三
            • B 蓝白
              • 参宿五 参宿七
            • A 白
              • 牵牛 织女
            • F 黄白
              • 南河三
            • G 黄
              • 太阳 五车二
            • K 橙
              • 大角星
            • M 红
              • 心宿二 参宿四
            • 特殊：
              • L 点燃锂聚变
              • T 点燃氘聚变
              • D 白矮星
              • Q 中子星
              • X 黑洞
          • 光度七等
            • 超巨星
            • 亮巨星
            • 巨星
            • 亚巨星
            • 矮星
            • 亚矮星
            • 白矮星
            • （不发光称黑矮星）
        • 分类
          • 光度差异——变星
            • 食变星
              • 双星相互绕转时发生交食现象引起
              • 例：英仙座β（大陵五）——魔星
              • 几何变星
            • 脉动变星
              • 经过主序星阶段后，自身大气层发生周期性或非周期性的膨胀和收缩，从而引起脉动性的光度变化
            • 爆发变星
              • 新星：亮度很短时间内突然剧增、然后缓慢减弱的恒星
              • 按爆发规模划分
                • 极超新星
                • 超新星
                  • 爆发形成超新星遗迹星云
                  • 超新星遗迹是超新星爆发后抛出气体形成的，中央通常有中子星或黑洞，与行星状星云一样，这类星云体积也在膨胀中，最后趋于消散
                  • 人类观测到的最后一次肉眼可见的银河系内超新星爆发(supernova）SN 1604 人类观测到的最后一次肉眼可见的超新星爆发 SN 1987A(在麦哲伦星云里面）
                    • 字母A表示该年度内发现的超新星的顺序。字母从A开始，到Z结束，如果超过26个，就用两个字母表示，从AA开始，到AZ结束，以此类推。所以，SN 1987A的A表示它是1987年最早被发现的超新星
                  • 分类
                    • 无氢线-I型
                      • Ia
                        • 光谱中没有氢线，但有碳、硅、钙等元素的线，白矮星爆炸形成
                      • Ib
                        • 光谱中有氦线，但没有氢线，表明它们的前身恒星在死亡前已经失去了大部分外层气体
                      • Ic
                        • I光谱中既没有氢线也没有氦线，表明它们的前身恒星在死亡前已经失去了几乎所有外层气体
                    • 有氢线-II型
                • 新星
                • 矮新星
                • 类新星
                • 耀星
            • 物理变量
          • 光度和温度之间关系（赫罗图）
            • 主序星 巨星 矮星
          • 特殊性质
        • 化学组成
          • 按质量
            • H He
          • 布鲁特根特
            • 子主题
        • 恒星之间关系
          • 星团
            • 疏散星团/银河星团
              • 巨蟹座鬼星团M44
              • 金牛座卯星团
              • 毕星团
            • 球状星团
              • 分布在以银核为中心的球形空间里
              • 武仙座球状星团M13
          • 双星
            • 天狼星A是一颗白色主序星,天狼星B是目前已知最大白矮星
          • 单星
        • 形成条件
          • 氢气、引力、漫长的时间和一个触发条件(一定的扰动)。
        • 恒星演化
          • 分子云 Molecular Cloud
            • 原恒星 Protostar
              • 弥漫星云/ 疏散星团 Open Cluster
                • 主序星
                  • 四个氢核聚变为一个氦核 温度和光度逐渐增加
                  • 红巨星 red giant star
                    • 围绕核心的氢壳层发生氢转变为氦的核聚变反应（内部H聚变为He已经结束)——开始形成红巨星
                    • 白矮星 ＜1.44倍
                      • 形成条件：红巨星末期，残留内核质量低于1.44倍太阳质量 钱德拉塞卡极限：无自转恒星以电子简并压力（由电子间斥力形成）阻挡重力坍缩所能承受的最大质量
                        • 高于1.44倍 形成中子星 高于4倍 形成黑洞
                      • 体积小 密度大 表温高 光度低
                        • 黑矮星
                          • 经过漫长时间，白矮星暗至完全不发光
                    • 中子星 neutron star 4倍＞残留内核质量＞1.44倍
                      • 体积小 质量大 密度大 高速自转 温度高
                      • 主序星阶段，质量超过8-10个太阳的恒星，在超新星爆发后，中心剩余部分(剩余铁核质量为1.44-4倍太阳质量）可能形成中子星
                      • 过程：电子被压缩到原子核中，电子负电，质子正电，互相融合，形成电中性中子，使原子核变得仅由中子组成
                      • 特点：●中子星具有强辐射，由于中子星本身存在极强磁场，强磁场把辐射封闭起来，使辐射只能沿磁轴方向成束状喷出 ●由于恒星坍缩时角动量守恒，所以坍缩成半径很小的中子星后自转速度非常快
                      • 分类
                        • 脉冲星：在地球上可接受到其发出的周期性脉冲信号的中子星 通常是中子星，但是也有白矮星
                          • 1967 发现第一颗脉冲星”小绿人"
                    • 黑洞 ＞4倍
                      • 主序星阶段，质量至少大于25倍太阳的恒星，爆炸前中心剩余铁核质量大于4倍太阳质量
    • 行星系统
      • 地月系
        • 绕转特征
          • 轨道：月球绕地公转轨道是椭圆，地球位于焦点
          • 方向：自西向东
          • 周期
            • 朔望月
            • 恒星月
            • 近点月
            • 交点月
            • 分点月
            • 自转
• 研究方法
  • 获悉天体信息 的主要渠道
    • 电磁波、宇宙线、中微子、引力 子、其它（如陨石、宇航取样等）
  • 天球
    • 概念：天球是以观测者（或地心、日心等） 为中心、以任意长为半径的一个假想的球体
    • 圈
      • 基圈
        • 地平圈
        • 天赤道
        • 黄道
        • 银道
      • 辅圈
        • 卯酉圈
        • 六时圈
        • 子午圈
    • 点
      • 四方点
      • 二分二至点
        • 春(秋)分：黄道沿逆时针方向从天赤道以南 (北)穿入天赤道以北(南)时与天赤道的交点
        • 夏至：春分点沿黄道逆时针方向旋转90°
      • 极点
        • 天顶(底）Z(Z')
        • 天北极P(天南极P')
        • 黄极K
        • 银极(NCP SCP)
        • 上点
    • 天球坐标
      • 一般模式：球面三角形
        • 始圈（纵坐标）
        • 基圈（横坐标）
        • 原点
        • 终圈
        • 介点
• 黑洞
  • 认识过程
    • 卡尔·史瓦西计算出来——事件视界
    • 约翰惠勒——命名：描述重力引力完全崩塌物体
    • M87中心黑洞 人类拍出的第一张黑洞照片
  • 概念
    • 经典黑洞理论——引力极强天体 黑洞中心是一个密度无限大的奇点 连光也无法逃脱 这个范围外边界被称为事件视界（evet horizon)
      • 霍金提出黑洞并不能困住一切，试图逃脱黑洞核心的光射线可以通过辐射泄漏慢慢收缩，有能量和信息可以逃出，应该改名灰洞
    • 广义相对论——时空曲率大到光都无法逃脱的天体 （目前通用黑洞定义）
      • 黑洞是时空的极度扭曲
  • 形成
    • 大质量恒星晚期超新星爆发
    • 尚不能确认的形成方式
      • 原生黑洞/太初黑洞 Primordial black hole
        • 宇宙早期环境下，极端物质密度还有 宇宙大爆炸的强大能量挤压最终形成
        • 宇宙大爆炸初始阶段，压力温度很高，这样简单的物质密度波动可能导致局部地区密度变大而创造出超大质量黑洞
  • 特点
    • 密度极大 体积极小
  • 霍金辐射——以量子效应理论推测出的一种由黑体散发出来的热辐射
    • 按照量子力学理论，根据海森堡测不准原理，会在瞬间凭空产生一对正反虚粒子，然后瞬间消失，以符合能量守恒。在黑洞视界外也不例外。霍金推想，如果黑洞事件事界外产生正反虚粒子，可能出现其中一个被吸引进去，另一个逃逸的情况。如果是这样，那个逃逸的粒子获得了能量，也不需要跟其相反的粒子湮灭，可以逃逸到无限远。在外界看就像黑洞发射例子一样。这种辐射被命名为霍金辐射
  • 黑洞喷流
    • 有天体被黑洞吞噬的时候,黑洞会以接近光速,沿自转轴方向,喷发出次原子粒子
• 暗物质与暗能量
  • 经过
    • 荷兰天文学家卡普坦于1922年提出可以通过星体系统运动间接推断出星体周围可能存在不可见物质
    • 1933年第一次发现了暗物质存在的证据：加州理工学院富里兹·扎维奇发现大型星系团中的星系有极高的运动速度，计算出来的星系团质量根本无法束缚住这些星系
    • 观测结果表明，在相当大范围内，星系外围的星体速度是恒定的。这意味着星系中可能有大量不可见物质，并不仅仅分布在星系核心区，其质量远大于发光星体质量总和
    • 之后更多对于星系观测证实这一点。到20世纪80年代，暗物质概念已经被科学家广泛接受
  • 暗物质
    • 性质
      • ●不发光 不吸收光的物质 无法直接观测到 ●具有万有引力的吸引力，符合万有引力定律 （1）能干扰星体发出的引力和运行方向，影响星体 星系的运行速度 （2）光线在传播过程中会因为引力作用，被暗物质弯曲，导致引力透镜现象 通过追踪变形的光线，可以发现暗物质存在，确定暗物质分布格局 ●暗物质除了引力外，对普通物质不产生其他影响
        • 引力透镜效应
          • 是强引力场中一种特殊的光学效应
    • 作用
      • 暗物质构成了我们宇宙的骨架。暗物质是构成宇宙网(cosmic web)的基础。在暗物质聚集的地方,普通物质随之聚集,并在这些区域形成星系、星系团。
  • 暗能量
    • 一种不可见的。能推动宇宙运动的能量
• 宇宙演化
  • 起源
    • 大爆炸The Big Bang
  • 未来
    • 具体是哪种，由暗物质和暗能量决定
    • 1.大爆炸→大坍缩→最后又成为奇点 (大循环/大坍缩)宇宙循环胀缩
      • 暗物质＞暗能量：大收缩
    • 2.大爆炸→大冷却→最后成为没有光的极度寒冷的宇宙(大冻结)
      • 暗物质＜暗能量：大冻结 (暗能量略超过暗物质，宇宙膨胀速度较慢，宇宙虽然膨胀但不是加速膨胀）
    • 3.大爆炸→暗能量作用→大撕裂(大解体)
      • 暗物质＜＜暗能量：大撕裂 （宇宙持续加速膨胀）
        • 以目前发现的暗物质与暗能量比例来说，宇宙未来更可能是大撕裂
• 体积大 密度小 表温低 光度低
• 射电波段
• 电磁波
  • 长波
  • 无线电波
  • 微波
  • 红外线
  • 可见光
    • 400-700nm
  • 紫外线
  • X射线/伦琴射线
  • 伽马射线
• 锥状星云
• 心状星云
• 猫掌星云

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