天体物理学

天体物理学(astrophysics)既是天文学的一个主要分支，也是物理学的分支之一，它是利用物理学的技术、方法和理论来研究天体的形态、结构、物理条件、化学组成和演化规律的学科。。本思维导图从宇宙大爆炸到行星形成到人类诞生，反过头来研究宇宙的奥秘，感兴趣的小伙伴可以收藏起来慢慢看呀！

• • 普朗克时期
    • 其他自然力
    • 引力分离
  • t=0 到 t=10^-43s
• • 万亿分之一秒过去了
    • 弱电力
      • 电磁力
        • 使分子结合在一起
      • 弱核力
        • 决定放射性衰变
    • 强核力
      • 把原子核束缚起来
    • 引力
      • 把大团物质聚集在一起
  • t=10^-35s
    • 物质(亚原子粒子)
      • 夸克
        • 一共6种，每一种都被赋予了一个抽象的名称 - 上夸克 - 下夸克 - 奇异夸克 - 粲夸克 - 顶夸克 - 底夸克 他们是中子和质子内部成分 质子+1电荷，电子-1电荷 夸克 1/2 或者 1/3永远不可能抓住一个单独的夸克，它总是跟附近的其他夸克抱成团。
      • 轻子
        • 电子
        • 中微子
          • 太阳的中微子的量相当大，在发出核聚变的太阳里，每个氢合成一个氦时释放出2个中微子，毫无阻碍的穿过地球，当地球不存在一样，穿过人的身体，没有问题。因为中微子与你身体里的原子不会发生作用。
    • 玻色子
      • 能量(光子)
        • 作用于物质与反物质
        • 物质
        • 反物质
        • 彼此湮灭
          • • 比例 十亿零一：十亿
      • 其他玻色子
• • 百万分之一秒过去了
    • 电子还在 正反湮灭
  • 宇宙->太阳系尺度
    • 夸克-->强子
      • 10亿次的粒子湮灭才会有一个强子幸存 由于宇宙的不断膨胀，仍然存在的正反物质湮灭中产生的光子在不断损失能量而降到了强子-反强子对所需要的能量门槛之下。强子不会再被湮灭 强子是产生星系、恒星、行星和牵牛花的终极物质来源 大型强子对撞机试图重新创造极端条件，其中一个很重要的任务是试图制造暗物质
      • 质子
      • 中子
      • 其他重粒子(强子)
• • 1秒种的时间已经过去了
    • 质子
    • 其他质子
    • 幸存的电子
    • 中子
    • 原子核
      • 90%氢
      • 10%氦
      • 痕量氘(重氢)
      • 痕量氚(超重氢)
      • 痕量锂
  • 宇宙尺度为几光年
    • 相当于太阳到离它最近的的恒星的距离
• • 已经过去两分钟
    • 宇宙温度仍然足够高
      • 高能电子仍可以自由吸收和发射光子
  • 之后38万年里没有什么新鲜事
• • 宇宙温度降到3000K
    • 相当于太阳表面温度的一半，粒子的运动速度越来越慢，电子的速度越来越慢，刚好可以被路过的质子捕获，从而将完整的原子带入这个世界
    • 自由电子
    • 原子核
    • 结合成原子
      • 无处不在的可见光
        • 在此之前宇宙是一团不透明的浓雾，因为光子没走多远就会碰到电子与之形成湮灭。 电子被质子带走形成原子，光子获得自由。
  • 原始宇宙粒子 和原子形成
• • 十亿年过去了
    • 物质->星系1
      • 恒星1
        • 热核聚变
          • 制造比氢要重的几十种元素
      • 恒星2
        • 大爆炸
          • 元素种类丰富的内核抛散到整个星系
      • 恒星几千亿
    • 星系2
    • 星系1000亿
  • 宇宙继续膨胀冷却引力开始发挥作用
• • 100亿年过去了
    • 室女超星系团的外围
      • 银河系
        • 猎户旋臂
          • 太阳诞生
  • 宇宙增丰
• • 形成太阳的气体云包含重元素
    • 小行星
    • 气态行星
      • 木星(太阳系第一颗行星)
        • 吸收大量太阳形成的残骸
          • 引力作用下轨道内移->穿越小行星带
            • 继续内移(卷走大量小行星)
              • 轨道外移
                • 弹射小行星(10km直径)至地球(恐龙灭绝)
                • 阻止系外小行星进入内太阳系(教父级的存在)
                  • 100年前彗星威胁地球
                    • 70年后被木星撕裂(伽利略号见证)
            • 击碎谷神星(本有机会成长为行星)
        • 木卫一：火山活跃，人间炼狱(木星引力+潮汐加热+木卫二重力弹射效应摩擦生热）
        • 木卫六:"TITAN泰坦" 流动的甲烷液体(高压下)+构成生命的元素+固态水冰
          • 一旦受热可能产生生命
        • 探测器:NASA“朱诺号”
      • 土星诞生(形成时是岩石+冰)
        • 变成气态行星(大气层太厚,大气压力巨大)
          • 土星内移(拉拽木星回到小行星带以外)
            • 一颗卫星进入洛希极限
              • 被土星撕裂
                • 形成土星环
        • 土卫二:"Europa欧罗巴" 纯净水覆盖+喷射的“海水结晶”+地下液态海洋
          • 有深海热泉喷口以及复杂的有机化合物
            • 这是(地球)生命的源泉
        • 探测器:NASA“卡西尼克”
    • 冥王星
      • 探测器:NASA“新视野号”
      • 底下有液态海洋(放射性物质衰变产生热量)
    • 海王星
      • 氮蒸发->8km高的喷射
    • 天王星
      • 探测器:NASA“旅行者2号”
        • 每隔175年9星连珠，可利用其加速推进
      • 唯一垂直绕太阳转的行星，也有“环”但不反光
        • 天卫六+天卫七=牧羊卫星
      • 最冷的行星-244度
    • 火星开始形成
      • 温度宜人(海洋世界)
        • 内核快速冷却(体积太小)
          • 磁场消失
            • 太阳风吹走大气层
              • 海水消失，进入冰封期
        • 探测器:NASA“水手号”->“维金号”->“好奇号”
    • 岩石行星
      • 水星诞生（现火星位置)
        • 水星失去地幔和地壳(被大型天体撞击)
          • 残余物质形成金星
            • 温度宜人(海洋世界)
              • 金星升温(太阳越来越热，温室效应失控)
                • 行星中温度最高(-170/430度)
                • 89倍地球大气压
                • 探测器:前苏联“金星13号”
          • 水星内移
        • 数十颗行星争夺位置
        • 探测器:NASA“信使号Messager”
    • 慧星
  • 太阳系形成
• • 太阳系形成几亿年后
    • 高速高能撞击
      • 溶化岩石行星表面
        • 阻止复杂分子形成
        • 一块大的碎片
          • 月亮的诞生
• • 可吸积物质少
    • 行星表面冷却
      • 地球处于“金发女孩”区域
        • 太近海洋蒸发
        • 太远海洋结冰
        • 地球海洋 液态存在
  • 地球液态海洋的形成
• • 地球海洋
    • 厌氧菌自我复制
      • 排出氧气
  • 有机分子复制
• • 大气层
    • 富含氧气
      • O2
      • O3
      • 需氧生物体出现
• • 碳基分子复杂多样性
    • 地球生物的多样性
• • 6500万年前
    • 小行星撞击地球
      • 70%的地球动植物抹杀
        • 恐龙灭绝
• • 哺乳动物补缺
    • 灵长类分支
      • “智人”属种主宰地球
• • • 已发现的：物理定律的普适性
      • 牛顿引力定律
        • 爱因斯坦广义相对论
          • 对大质量、高速时对牛顿定律作了扩展
            • 1个世纪前就预测了引力波并在2016年被LIGO检测到
              • 13亿光年远的两个黑洞碰撞->8亿年后->最近1万年里->20世纪->2016年引力波到达地球
              • 地球还是单细胞生物的天下->地球进化出复杂生命->智人出现->相对论提出+引力波预测->人类捕获引力波
              • 还有很多未到达地球的引力波
          • 小质量、低速时与牛顿定律一致
      • 光谱
        • 成分
        • 温度
        • 太阳物质的化学特征与地球一样
          • “氦”的发现
          • “氰”的发现
            • 在太空中气态星云是如此之稀薄以至于原子在没有碰撞的情况下可以跑很远。在这些条件下，电子可以做到在地球实验室中原子内从未见的一些事情。Ne只是普通氧元素在星云环境里表现出的非同反响的特征而已。
      • 光速
    • 未发现的
      • 85%的引力来源
      • 神秘的暗物质
• 光
  • 光子获得自由已来 宇宙已经膨胀1000倍
    • 能量也相应的减少了1000倍，光子进入了可见光之外
    • 宇宙背景
      • 可见光
        • 红外光子
          • 人们感受不到红外光，所以白炽灯作为光源是非常低效的，而LED灯作创造了纯净的可见光 当物体被加热时它会在光谱的所有波段都辐射光，但这种辐射总会在某个特定的段处产生峰值。
          • CMB微波(现在)
            • 温度为2.725K
            • CRB射电波(500亿年以后)
            • 测量
              • 贝尔实验室“多余的天线温度”
              • 普林斯顿大学罗伯特狄克
              • 一切吻合
  • 最后散射点
    • 最后散射面
      • 深度约12万光年，这个面是所有原子诞生之处：电子与原子核结合，释放出的能量以光子的形式奔向红色的远方
      • 未开始聚焦区域
        • 区域温度略高
      • 聚集区域
        • 区域温度略低
      • CMB不是完全平滑->探针
        • 引力强弱
        • 物质积累速度
        • 普通物质
        • 暗物质
          • 有引力但是不以任何已知方式与光发生相互作用
        • 暗能量
          • 宇宙真空中存在的神秘压力，它的作用方向与引力相反，使宇宙的膨胀速度比没有它时变得更快
• 星系
  • 主星系
  • 星系之间
    • 矮星系
      • 数量远大于星系，比例超过10:1
      • 有名的大小麦哲伦星系
      • 命运危险
        • 会被主星系吞并
        • 被吞并
        • 碰撞机率5%
        • 一部分逃离四处散落
    • 高达数千万K的气体
      • 炽热得发出X射线
        • 质量超过了星系团总质量的十倍
          • 暗物质的质量总和又是所有（星系团+气体）的十倍
    • 暗物质
• 暗物质
  • 85%的引力来源无法解释，宇宙平均：暗物质的引力大约是所有可见物总引力的6倍
    • 所有质量都对应有引力，但是所有引力都对应有质量吗？我们不知道
  • “后发星系团”边缘星系的平均速度远大于逃逸速度
    • 地球轨道速度增加√2(1.4142)倍，行星达到逃逸速度
  • 旋涡星系发现的质量异常
    • 离中心较远的恒星在它们自身与星系之间有更多物质->更高速度
    • 星系发光盘之外孤立的气体动和明亮的恒星可见物质不再增长->速度更快
  • 关于暗物质是什么的排除法
    • 不是黑洞 不是黑色星云 不参与核聚变，这表明暗物质不具备“普通物质”资格 暗物质与普通物质的比例变化很大，在星系和星系团这样的大型天体上是最明显的。 对于最小的天体之间几乎没有差异。如果你在地球上超重，不要责怪暗物质。
  • 引力使物质聚集但膨胀试图稀释它，以普通物质的自身引力无法赢得这场战斗
  • 最大胆的假设：暗物质是另外一个维度的力的影响？是相邻宇宙中的物质引力穿过了宇宙膜？我们所在的宇宙只是“多重宇宙”的无数宇宙之一？
• 暗能量
  • 宇宙所有质量-能量
    • 暗能量68%
    • 暗物质27%
    • 一般物质5%
  • 爱因斯坦广义相对论
    • 引力
      • 引力是质量对其他的质量或者能量场导致的局部时空曲率弯曲
        • 质量沿测地线的直线前进
        • 物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动
    • 反引力
      • 引力方程“宇宙学常数λLambda”
        • 作用是抵抗引力，保持宇宙平衡
        • 后来发现越遥远的星系相对我们退行的速度越快
          • 宇宙不是静止的
            • 爱因斯坦抛弃λ
              • 1998年发现最遥远的超新星比预期的暗很多
                • 丈量宇宙的两种方法
                  • 同类超新星
                    • 同类超新星爆发质量一定、能量一样、亮度一样
                    • 远暗近亮
                  • 相对银河系的退行速度
                    • 远快近慢
                  • 测量同一物体得出了不同结论
                    • 事实证明宇宙膨胀得比我们想象得快得多
                      • 超新星作为标准烛光没有问题
                      • 再次请出λ
                        • 宇宙有反引力即“暗能量”
                          • 但是我们还不知道暗能量是什么，等待下一个聪明人
      • 产生于真空
        • 真空的增长
          • 物质和能量密度减小
            • 更多的真空
              • 更大的斥力
                • 宇宙无休止的指数加速膨胀
                  • 任何没有被银河系束缚的东西都将消失在视野
                    • 暗能量削弱人类后代理解未来宇宙的能力
                      • 除非我们能做好很好的纪录，并埋下一个可以保存万亿年的时间胶囊，否则末日之后的科学家将会不知道星系为何物
                      • 1万亿年后银河系的人不知道还有其他星系
                        • 我们是否也错过了宇宙过去的一些基本章节
  • 临界密度omega
    • 如果你把观测的物质-能量密度除以恰好勉强使宇宙停止膨胀的物质能量密度，你就会得到Oegma临界密度
    • 质量和能量都能导致时空弯曲
      • omega能告诉我们宇宙的形状
        • <1永远膨胀
          • 开放的马鞍形
        • =1永远膨胀
          • 宇宙是平坦的
        • >1坍缩成火球
          • 向其自身弯曲
        • 所有观测到质量+能量+暗物质=0.3
          • 1979年MIT物理学家调整Omega趋向于1
            • 不是趋向于1/2，也不是趋向于2，更不是趋向于100万
• 元素
  • 宇宙大爆炸带来
    • 氢
      • 氦
    • 氦
      • 实际街上卖的氢气球是不是氢气还是氦气，因为氦气也很轻，是氢的浮力的92%但是它不是易燃易爆
    • 锂
      • 被核反应破坏
    • 宇宙大爆炸理论的支柱
      • 大爆炸理论预测任何地方的氦含量不低于10%，而任何地方的锂含量不高于1%，目前观测结果符合并支持大爆炸理论
  • 高温恒星+催死恒星锻造
    • 碳
      • 恒星核心锻造
        • 翻搅到表面
          • 释放到星系
            • 形成人类
    • 氧
      • 氧
        • CO+CO2
      • 剩余的氧
        • 蓝宝石和红宝石的星彩
          • 星格中钛氧化物杂质造成
    • 钛
    • 硅
      • 原则上也能造就生物多样性
        • 但最终碳胜出
          • 硅基的外星人什么样？
    • 纳
      • 纳光对光污染影响最小
        • 很容易从永远镜中去掉
          • 天文台附近换成纳灯
    • 铝
      • 占地壳10%
        • 现代的锡罐和锡箔早被铝罐和铝箔代替，我打赌我们还是叫锡纸
    • 铁
      • 裂变吸收能量
        • 聚变也吸收能量
          • 恒星就是忙着制造能量
            • 大质量恒星制造和积累铁元素
              • 它们也正接近死亡
                • 能量被铁吸收
                  • 恒星在自己的重量下坍缩
                    • 反弹形成超新星爆发
    • 铱
      • 密度大，相当于三个桶水56升的铱的重量就比一辆别克车还重
      • 白垩纪、古代纪地界交界处
        • 可追溯6500万年前的铱元素
          • 当时恐龙灭绝了
      • 在地球表面罕见
        • 在直径10千米的金属小行星上常见
      • 恐龙灭绝理论的来源
    • 其他有趣的(以太阳系恒星以名)
      • 金星的古代名
        • Phosphorus =light-bearing
      • 月亮
        • Selenium = Selene
      • 地球
        • tellurium = tellus
      • 谷神星Ceres
        • 丰收女神
      • 智神星Pallas
        • 罗马神话智慧女神帕拉斯
      • 水星Mercury
        • 罗马神话行动迅速的信使之神墨丘利
      • 雷神托尔Thor
        • 北欧神话 与他对应的以闪电为武器的是Jupiter木星的英文名 土星Saturn居然没有对应的元素
      • 天王星Uranus
      • 海王星Neptune
      • 冥王星Pluto
      • 钚Plutonium
      • 镎Neptunium
      • 铀Uranium
      • 钍Thorium
      • 汞Mercury
      • 钯Palladium
      • 铈Cerium
      • 碲Tellurium
      • 硒Selenium
      • 磷Phosphorus
• 宇宙视角
• 另一个 地球
  • 从外星人的角度来看地球
    • 一般不用可见光望远镜，无法看到，太小太暗了 可能是用红外线或者其他的手段，比如监视恒星是否定期地晃动
    • 蓝色
      • 水
        • 海岸线
          • 液态水
            • 明确的温度和大气压
    • 极地冰盖随季度消长
      • 同一块大陆定期出现
        • 自转是24小时
    • 有“明亮的”无线电波
      • 我们到处都在用无线电波和微波 而小型岩石行星在自然状态下几乎不会发出任何无线电波 但是大行星都是无线电波的巨大来源
    • 行星大气的化学分析是现代活跃领域
      • 光谱仪
      • 纳灯、甲烷......
  • 检验半人马座alpha恒星系统
    • 离我们最近的太阳系外的恒星系统
    • 开普勒望远镜任务发现类地行星
      • 恒星亮度略有下降时行星刚刚经过
    • 4光年，三合星系统即“三体”
• 行星 之间
  • 太阳风
    • 太阳以每秒100万吨的速度散失物质，主要是速度高达1600千米每秒的高能带电粒子
    • 遇行星磁场偏转
      • 进入行星南北磁极区
        • 与气体分子碰撞
          • 产生极光
  • 人造卫星
    • 低轨卫星
      • 绕地球约90分钟
      • 受大气影响消耗能量
        • 需要经常提升轨道高度
    • 通讯卫星
      • 一天才能完成围绕地球完成一次公转
      • 速度与地球自转精确同步
        • 似乎悬停
          • 理想信号中继站
  • 木星
    • 木卫一火山活跃
    • 木卫二欧罗巴大量水
      • 行星一般以罗马神话的众神命名 卫星一般以希腊神话的众神命名 唯独天王星的卫星是以英国古典文学(如莎士比亚)的角色来命名的 天王星本身是以宙斯的祖父的名字Uranus命名
      • 冰面之下有温暖的海洋
    • 强大引力
      • 拦截彗星
      • 引力助推
        • 否则仅靠火箭提供的能量和速度探测器将无法到达他们的目的地
  • 柯伊伯带+小行星带
    • 轨道被扰动
      • 进入行星轨道
        • 撞击地球
        • 哈雷彗星
        • 奥尔特云
          • 长周期彗星
  • 月球
    • 直径约为太阳直径的1/400
    • 到地球的距离也是它和太阳距离的1/400
    • 太阳和月亮 看起来一样大
      • 可以拍到日全食
    • 地球潮汐锁定月球
      • 自转和公转周期相同
        • 永远以同一面朝向地球
  • 土星磁场强
    • 飞行器必须防磁场
• 不可 见光
  • 唯一区别：振动频率
    • 低频长波 高频短波
  • 无线电波
    • 波长很长
      • 徒手弯成的铁丝网即可
        • 如果需要高分辨率
          • 口径远大于波长
      • 射电望远镜
        • 中国的FAST
          • 如果外星人给地球打电话，中国人会第1个知道
  • 微波
    • 碰到水就会被水吸收，所以微波炉其实是在加热食物中的水。 而ALMA之所以建在全球最干燥的地方就是为了避开潮湿的云层
    • 干涉仪
      • 可以看到正坍缩的星云结构
      • 著名的ALMA
  • 红外线
    • 银河系星云深处的恒星育婴房
  • 可见光：红橙黄绿蓝靛紫
  • 紫外线
  • X射线
    • 波长短
      • 镜子要超级光滑
        • 以免表面的瑕疵扭曲他们
  • 黑洞附近的辐射
  • 伽马射线
    • 闪电发生前的一瞬间也会产生
• 关于 球形
  • 内表面积最小
    • 所有包装是球形可节约十亿美元包装材料费
      • 但是一旦滚下货架后得满地地追赶它们
  • 地球表面这么多山如喜马拉雅:完美球形？
    • 地球直径13000千米：最深海沟至喜马拉雅20千米
      • 如果你有超级宇宙大手，摸上去地球表面极其光滑
        • 天体表面引力越弱，其山脉就能更高
          • 喜马拉雅已是地球山峰的极限，如果再高它下方的岩层就会被自身的重量压砖垮
  • 银河系为什么是一张盘？
    • 他的直径与厚度之比为1000:1
    • 但最初可能是球形
      • 球体旋转得越来越快
        • 两极方向自然地变扁
          • 土星旋转极快
            • 1天只有10小时
          • 脉冲星
            • 旋转接近光速
            • 材料特殊
              • 相当于把1亿头大象装进一支唇膏
  • 整个可观测宇宙是最大的最完美的球
    • “多重宇宙”传闻
      • 多重宇宙并非由完全独立的宇宙组成，而是一个连续时空结构之内彼此孤立相互无接触的口袋空间组成。