第一章天文科技   人们登陆月球,探索宇宙,研究星系等一系列工作研究都离不开科技。现代生活中,科技在不断地进步,科技的发展促进了人们的美好生活;科技的发展,代表着人类的进步。天文学家利用天文工具不断地研究着神秘的星空,天文学家利用天文科技不断地向人类展示着神秘的星空。中国古代天文历法的成就   中国是世界上天文学起步最早并且发展最快的国家之一。在古代,农学、医学、数学和天文学称为四门自然科学。在中国,古代历法是天文学的重要内容,它不仅包括年、月、日、时、节气的安排,还包括日、月、行星运动,交食,晷影,漏刻,恒星出没,天空分区等等。因此,中国古代历法具有现今天文年历的性质。   ※观星台   《夏小正》是现在保留下来的最古老的典籍之一,相传是夏代(约公元前二十一世纪到公元前十六世纪)的历书。此书中记载着人们由观察天象和物候来决定农时季节的知识。《夏小正》原是《大戴礼记》中的一篇,后来单独成册并且流传广泛。这部书是否是夏代的历书,学术界还没有定论,但它最晚在春秋时期(公元前770年到公元前476年)就已经成书,而且书中反映的天象等情况,证明了的确有更早时代的资料。   从汉代(公元前205年到公元后220年)起,就有完整系统的历法著作留传到现在,包括在各历史朝代中颁行过的和没有颁行过的历法共约一百种,绝大部分收集在《二十四史》的《律历志》中,这些都是研究中国历法的资料宝库。   西汉刘歆作的《三统历》是根据汉武帝太初元年(公元前104年)邓平、落下闳等人创作的《太初历》稍加修改而成。《三统历》是现存最早的一部完整历法,后世历法的基本内容在那时也都已具备。《三统历》共有七节:统母,纪母,五步,统术,纪术,岁术,世经。统母和统术讲日月运动的基本常数和推算方法,包括回归年、朔望月长度、一年的月数、交食周期、计算朔日和节气的方法等;纪母、纪术和五步讲行星的基本常数和推算方法,包括五大行星的会合周期、运行动态、出没规律、预告行星位置等;岁术讲星岁纪年的推算方法;世经讲考古年代学。《三统历》中明确规定,以无中气的月份置闰,并选取一个“上元”作为历法的起算点。   《乾象历》是汉献帝建安十一年(公元206年)刘洪(约135—210)作。当时刘洪对月亮运动的研究有了新进展,并首次提出月亮近地点的移动(过周分),从而算出近点月长度,并在一近点月里逐日编出月离表,又首次提出黄白交角是六度(兼数),首次提出交食计算中推算食限的方法,这些研究对后代历法都有很大的影响。   隋文帝仁寿四年(公元604年)刘焯(544—610)写了《皇极历》,《皇极历》中考虑太阳和月亮视运动不均匀来计算日月合朔的3时刻,创立了等间距二次差内插法。为了求得任意时刻的定朔改正值,又创立了任意间隔二次差内插法的公式。这在中国天文学史和数学史上都有重要地位,后代历法计算日月五星运动使用的内插法多继承《皇极历》的方法并继续发展。   唐玄宗开元十五年(公元727年)僧一行(683—727)写了《大衍历》,后经张说(667—730)和陈玄景整理成文,并于开元十七年(公元729年)颁行,一直使用到天宝十年(公元751年)。开元二十一年(公元733年)《大衍历》被传入日本,该历法在日本使用近百年。《大衍历》结构严谨,条理分明,共有历术七篇,讲具体计算方法。另有历议十二篇(其中略例三篇),讲历法的理论问题,是一行为《大衍历》写的论文,通称《大衍历议》。《大衍历》的制定是从制造仪器开始的,经过实际观测确定基本天文数据,这是科学的方法。经过《大衍历》的制定,对太阳月亮运动不均匀现象有了正确全面的了解。通过实际观测,破除了一千年来流传的“寸差千里”的谬说。在计算方法上,《大衍历》创立了不等间距二次差内插法的公式,比起《皇极历》,它又使科技迈了一大步。   ※郭守敬像元世祖至元十七年(公元1280年)时,郭守敬(1231—1316)写了《授时历》,并于次年颁行。明代《大统历》继续用它的方法,前后共使用三百六十多年,是古历法中行用最久的,也是在天文数据、计算方法各方面发展到高峰的一种历法。中国古典系统的历法到《授时历》为止,再往后就出现了西方天文知识,西方天文知识的传入也影响到历法的编算。现存《元史·历志》里的《授时历经》上下篇是郭守敬在王恂(1225—1281)初稿基础上重新编定的。那时虽然《授时历》已经颁布,但里面各种数据用表、推步算法并没有定稿。至元十八年(公元1281年)王恂不幸去世,之后由郭守敬一人主持完成。《授时历》共有七部分,内容和《大衍历》很相似。不过《授时历》是采用等间距三次差内插法计算日月五星位置,且用弧矢割圆术和类似球面三角的方法根据太阳黄经求它的赤经赤纬,这两种方法在天文学史和数学史上都占有重要的地位。到目前为止,还有许多中外学者都在对《授时历》进行更进一步地研究。   《崇祯历书》是明末时期徐光启(1562—1633)主编的,之后又由李天经(1579—1659)续成,从崇祯二年到七年(公元1629年到1634年)前后共用五年时间完成。《崇祯历书》从多方面引进了欧洲古典天文学知识,内容包括天文学基本理论,三角学,几何学,天文仪器,日月和五大行星的运动、交食,全天星图,中西单位换算等,共四十六种,一百三十七卷,采用第谷(1546—1601)的太阳系结构系统,计算方法中翻译了哥白尼(1473—1543)《天体运行论》中的许多章节,还有开普勒(1571—1630)《论火星的运动》一书中的材料。在《崇祯历书》的计算中不用中国传统的代数学方法而改成几何学方法,这是中国天文学史和历法史上一个重要的转折。中国古代天文学体系开始向近代天文学转变。   明末未能根据《崇祯历书》来编算民用历书,清代开始使用根据《崇祯历书》编算的历书——《时宪历》,直到清末。在《四库全书》中有一百卷本的《西洋新法算书》是传教士汤若望(1591—1666)根据《崇祯历书》删改而成的。   中国天文学方面屡有革新的优良历法、令人惊羡的发明创造、卓有见识的宇宙观等,在世界天文学发展史上,无不占据重要的地位。具有辉煌成就的中国古代天文学孕育了丰富的天文典籍,古代天文学家以他们饱蘸知识的笔墨写下了许多著名的篇章,给我们留下了十分珍贵的天文学遗产,各朝各代的历法在当时都是非常先进的。   知识窗·望远镜是谁发明的?·   望远镜的作用是可以使人们的眼睛超越视觉,使远处的东西透过望远镜可以看得更清楚,那么这个伟大的发明是谁发明的呢?最初的望远镜是伽利略发明的,他是一个有大贡献的发明家,他发明的第一个望远镜是折射式望远镜。还有一种常见的望远镜是由牛顿发明的,牛顿发明的是反射式望远镜,使人们解决了望远镜的色差问题。   1.多大的恒星能变成黑洞?   2.黑洞直径一般是多长?   3.黑洞直径和它之前的恒星直径有什么关系?   中国古代天文星占著作的成就   ※哈雷彗星星占术曾在中国古代天文学中占有很大的地位。古代许多星占家大量观测记录天空现象,编写星象著作,其中还包括很多天文知识,所以中国古代有很多天文著作都是同星占术结合在一起。   现代生活中的《石氏星经》是最早的一本天文星占著作,这个著作是由战国时期(公元前475年到公元前221年)魏国石申所著。《石氏星经》的原名叫《天文》,内容涉及太阳、月亮、行星、交食、恒星、古代天文名词、宇宙概念等多方面,尤其是恒星部分价值更高。   ◎《五星占》   《五星占》是1973年在长沙马王堆汉墓中出土的一份帛书,《五星占》里专讲五大行星运动和一些天文知识,共有九部分,八千字。根据科学家的研究,这本书大约写于汉文帝前元年间(公元前179年到公元前164年),书中对五大行星运动有详细的描述,成为后代历法中“步五星”工作的先驱。书中对金星、土星的会合周期定得比较准确,对秦始皇元年(公元前246年)到汉文帝前元三年(公元前177年)七十年间木、土、金三星的动态有逐年的记载,这是研究古代行星问题的一份重要资料,受到了中外学者的广泛关注。   ◎《天官书》   《天官书》是《史记》中的一篇,《天官书》算是当时有关天文知识的总结。尤其是恒星部分记录了当时所认识到的全天恒星,共九十多组名称,五百多颗星,是关于全天恒星的最早一篇完整文献。后来许多恒星的命名都受它影响。《天官书》内容除恒星外,还有行星、分野、日月占候、奇异天象、云气、岁星纪年、天象记录和占验等,是研究秦汉天文学乃至先秦天文学的一篇权威性文献。这本书开创了后代史书中撰写天文志的传统。   ◎《周髀算经》   《周髀算经》成书于西汉后期公元前一世纪,是《算经十书》中的一部,名曰算书,实际上主要是一部天文学著作。《周髀算经》有上下两卷,重点讲述当时的一种宇宙结构学说——盖天说,详细阐述盖天说计算天地结构、太阳视轨道大小、周天里数、北极璇玑的方法,还有圆形盖天式星图的制作等等,是有关盖天说的一本系统详尽的典籍。   ◎《步天歌》   《步天歌》也是一本天文学著作,它是以诗歌形式介绍全天恒星名称、数目、位置的天文学著作,相传是唐代王希明撰,丹元子是他的号,所以有时也称《丹元子步天歌》。《步天歌》诗文七字一句,有韵,把全天恒星按三垣二十八宿的分区法编在诗句中,读着诗句就好像漫步在点点繁星之间。“句中有图,言下见象”,便于辨认和记忆全天恒星,是古人学习天文学的必读书。在宋代重修的《灵台秘苑》一书中又把步天歌配上星图,星空景象更加清晰明了。   北周庾季才撰写了《灵台秘苑》。据《隋书·经籍志》载,这本书共有一百二十卷,现在见到的只有二十卷,北宋王安礼等人重修。书中有三百四十五颗恒星的赤道坐标值,是我国现存第二份星表,它的观测年代是北宋仁宗皇佑年间(公元1049年到1053年),这对研究宋代的恒星观测很有帮助。   唐代瞿昙悉达撰写的《开元占经》总共有一百二十卷,由于《开元占经》成立于唐玄宗开元六年到十四年(公元718年到726年),所以又称《大唐开元占经》。唐以后失传,明神宗万历四十四年(公元1616年),安徽歙县人程明善在古佛像腹中偶然发现,使得其再次流传至今。《开元占经》是一本唐以前天文星占著作大全,这本书把当时能见到的古代七十多种天文星占书按内容分别摘录编撰,内容涉及天文星象、气候、奇异现象等各方面。天文方面有名词解释,宇宙理论,日月行星运动,二十八宿距度,甘德、石申、巫咸三家对全天恒星名称、星数、位置的描述和占验,包括有石氏的恒星星表。此外还有当时使用的《麟德历》、作者翻译的印度《九执历》和其他十六种古代著名历法的基本数据。这一著作为我们提供了唐代以前天文学史的重要资料。由于《开元占经》的辑录,许多古代失传了的天文星占著作的内容得以保存下来,就凭这一点,《开元占经》也是一本极有价值的书。   唐代另一本天文星占著作《乙巳占》是李淳风所著,摘编了许多现已失传的古代星占著作的片断。这本书的主要内容集合了天文、气象、星占等方面的内容。明代还有一本《观象玩占》,也是天文星占书中一本非常重要的著作。   天文星占著作有一些迷信的成分夹杂在中间,作为糟粕固然应当扬弃,但透过大量的天文现象和奇异天象的记载,我们可以了解历史上许多有价值的天文事件,如新星超新星的爆发,彗星的出现和分裂,流星雨的变迁,变星的光变,日食景象,黑子日珥日冕在历史年代中的变化,行星运动,地月系的变迁等,这对现代天文学的理论研究有很大的帮助。   知识窗·关于天文学·   天文学起源于可以追溯到人类文化的萌芽时期。在古代时期,人们为了分别时间、季节和方向等就对太阳、星星和月亮进行观察,进而来确定,并根据研究写了好多历法供后人参考。因此,天文学也是最古老的学科之一。   1.是不是一旦有了黑洞,黑洞周围就有了星体,就形成一个星系了?   2.黑洞一般是吸天体的,那有没有能吸入星系和小黑洞的特大黑洞?   3.一般黑洞吸多少天体?出什么事才会毁灭?   欧洲天文学的发展历程   ※地球仪   在欧洲,人们都称古代希腊文化为“古典文化”。古代希腊天文学是古代历史条件下的产物,当中总结了许多世代以来天象观测的结果,概括了古代人们对天体运动的认识,并力图建立一个统一的宇宙模型去解释天体的复杂运动,这种尝试在人类进步史上,具有一定的积极意义。   ◎泰勒斯   泰勒斯是第一位希腊著名自然哲学家,在美索不达米亚学到了天文学。刚开始,泰勒斯推测地球是一个球体,认为构成宇宙的基本物质是水。据说,他曾经还预言了公元前585年所发生的一次日食,并且他认为天空是围绕着北极星旋转的,因此天空可见的穹窿是一个完整的球体的一半,扁平圆盘状的大地就处在这个球体的中心,在大地的周围环绕着空气天、恒星天、月亮天、行星天和太阳天。因此,阿那克西曼德是有史以来第一个认为宇宙不是平面形或者半球形,而是球形的。   ◎毕达哥拉斯   数学家毕达哥拉斯曾经提出,数本身和数与数之间的关系是构成宇宙的基础。他是人类科技史上第一个主张“太阳、月亮、行星遵循着和恒星不同的路径运行”的人。   ◎德谟克利特   另一位伟大的学者德谟克利特提出了原子学说,认为万物都是由原子组成的,原子是不可分割的最小微粒,太阳、月亮、地球以及一切天体,都是由于原子涡动而产生的,这是朴素的天体演化的思想。他还推测出太阳远比地球庞大,月亮本身并不发光,靠反射的太阳才显得明亮,银河是众多恒星集合而成的。   ◎托勒玫   希腊天文学家托勒玫的著作《天文学大成》中提出完整的“地心说”。在整个中世纪,这本书被人们奉为天文学知识的经典著作。他在《天文学大成》中指出:日、月、五大行星都在绕地球的偏心圆轨道上运转,并且各有其轨道层次。   天文学家托勒密著的《天文集》共13卷,该书集古代希腊罗马天文学之大成,书中使用几何系统来描述天体运动,还有1 022颗恒星的星图,在古代是最完备的一本。另外,书中还论及历法的推算,日月食的推算以及天文仪器的制作与使用等等。托勒密信奉“地心说”,为了使这种理论成立,他设计了一种极其复杂的天体几何系统,以解决一些地心说的推算与实际不符的问题,使推算结果与实际观测大致相近。在哥白尼提出“日心说”之前,托勒密的学说在欧洲占有统治地位。   阿拉伯科学从公元十世纪开始由西班牙向英、法、德等国传播。其中阿拉伯科学著作都被大量译成拉丁文,这是在基督教徒攻克西班牙的托莱多和意大利南部的西西里岛之后的事情。古希腊和阿拉伯的科学著作译成拉丁文以后,经院哲学家阿奎那斯立刻把亚里士多德、托勒密等人的学说和神学结合起来。阿奎那斯证明上帝存在的第一条理由就是天球的运动需要一个原动者,即上帝。但是,到了这个时候,由于科学知识的积累,经院哲学家的一些论据,已经不能无条件地被人接受了。与阿奎那斯同时,英国革新派教徒R培根具有鲜明的唯物主义倾向,主张“靠实验来弄懂自然科学、医药、炼金术和天上地下的一切事物”,反对经院式、教义式的盲目信仰,对宇宙理论和科学的发展起了推动作用。   在十四世纪中期,维也纳设立大学,并逐渐成为天文数学中心,普尔巴哈于1450年出任该校天文数学教授后,学术气氛更为浓厚。普尔巴哈在托勒密《天文学大成》的基础上,编写了一本《天文学手册》,作为撒克罗包斯考《天球论》的补充。同时又著《行星理论》,详细指出亚里士多德和托勒密两人关于行星的理论是不同的。   普尔巴哈的学生和合作者J米勒(一名雷乔蒙塔努斯),曾经随普尔巴哈去意大利从希腊文原著学习托勒密的天文学。他们两人都发现,《阿尔方斯天文表》历时已二百年,误差颇大,需要修订。后来雷乔蒙塔努斯到纽伦堡定居,在天文爱好者富商瓦尔特的资助下,建立了一座天文台,并附设有修配厂和印刷所,1475~1505年间每年编印航海历书,为哥伦布1492年发现的新大陆提供了有利条件。   在普尔巴哈和雷乔蒙塔努斯十分活跃的时候,意大利还有两位有名的天文学家:托斯卡内里和库萨的尼古拉。他们曾都就读于帕多瓦大学。托斯卡内里是学医的,曾鼓励哥伦布航海,后来成为优秀的天文观测者,系统地观测过六颗彗星,并把佛罗伦萨的高大教堂当作圭表,精确地测定二至点和岁差。库萨的尼古拉在任意大利北部的布里克森城(今名布雷萨诺内)主教期间,曾提出过地球运动和宇宙无限的设想。他说,整个宇宙是由同样的四大元素组成的;天体上也有和地球上相似的生物居住着;一个人不论在地球上,或者在太阳上,或者在别的星体上,从他的眼中看去,他所占的地位总是不动的,而其他一切东西则在运动。   知识窗·恒星的诞生?·   恒星在星系中的形成并不是均匀发生的,周围物质的条件会对收缩产生影响。像我们自己的星系的旋臂就是一个很好的例子。对任何旋涡星系的光学照片一眼看去就能发现,旋臂上的恒星趋向于蓝色,而核球处的则呈黄色。以宇宙标准来看,旋臂上的炽热大质量蓝星寿命是较短的,只能维持几千万年。这意味着无论我们在何处看到了蓝色恒星,都可以确定这片区域内的恒星是在相对较近的时期内形成的。所以可以得出结论,在旋涡星系中恒星的形成集中在旋臂上。包括太阳在内的所有恒星都是在巨大的恒星孕育区内形成的,我们称之为星云,可看作是气体和尘埃的仓库。在星云之内,充满宇宙其他地方的强烈辐射被挡在外面,故而物质能够冷却到非常低的温度,而如何达到这点对于整个恒星形成过程是非常关键的。最初,冷却是由于氢分子能够向外辐射出能量,能量的流失冷却了云气,温度降了下来。其后这项工作由碳或氧原子更加高效地完成了。在这一气体区域中,由引力作用造成的收缩与粒子的随机运动相对抗,如果这些粒子运动很快,就可以克服引力带来的紧缩,这个气团就永远不会收缩到形成恒星的程度。对恒星生成区的现代观测表明,这是一个持续进行的过程,气团不断地形成和消散着。   1.毁灭后的黑洞成什么样子?还能怎么样?对周围的天体有什么影响?周围的天体会不会加入其他星系,被那个星系的黑洞吸进去?   2.黑洞是怎样合并的?   现代天文科技之——空间站   空间站是一种在近地轨道长时间运行,可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。空间站又称航天站、太空站、轨道站。空间站可以分为单一式和组合式两种。单一式空间站可由航天运载器一次发射入轨,组合式空间站则由航天运载器分批将组件送入轨道,在太空组装而成。   人类虽然已经实现了在太空中短暂旅行的梦想,但科学的脚步并没有因此而停止。为了更加了解、开发太空,就需要有个可供宇航员长期工作和生活的基地。随着航天科技的发展,在太空中建立新居所的条件成熟了。小型的空间站可一次发射完成,较大型的可分批发射组件,在太空中组装成为整体。在空间站中要有人能够生活的一切设施,不再返回地球。   ◎国际空间站   ※国际空间站国际空间站的规模一般都很大,结构也比较复杂。空间站由宇航员居住舱、实验舱、服务舱,对接过渡舱、桁架、太阳电池等部分组成,试用期为5~10年。总质量约423吨、长108米、宽(含翼展)88米,运行轨道高度为397千米,载人舱内大气压与地表面相同,可载6人。据估测,空间站建成后总质量将达438吨,长108米。   空间站的结构特点是体积比较大,在轨道飞行时间较长。空间站的基本组成是以一个载人生活舱为主体,再加上有不同用途的舱段,如工作实验舱、科学仪器舱等。太阳能电池板与对接舱口是空间站必备的设施,以保证空间站的电能供应和实现与其他航天器的对接。   经济性是空间站的特点之一。空间站可以接纳宇航员进行试验的空间,还可以使载人飞船成为只运送航天员的工具,从而简化了其内部的结构,减轻了其在太空飞行时所需要的物质。这样既能降低其工程设计难度,也可以减少航天费用。另外,空间站在运行时可载人,也可不载人,只要航天员启动并调试后,它可照常进行工作,定时检查。这样能缩短航天员在太空的时间,减少许多消费,当空间站发生故障时可以在太空中维修、换件,延长航天器的寿命。除此之外,增加使用期也能减少航天费用。科研工作的逐步深化与科研质量的提高,有赖于空间站的长期连续飞行。一般空间站的飞行时间可长达几个月甚至数年之久。   到目前为止,全世界发射的空间站共有9个。前苏联是第一个发射空间站的国家,它发射的空间站最多,有8座,美国发射1座。苏联的礼炮1号空间站在1971年4月发射,后在太空与联盟号飞船对接成功,有3名航天员进站内生活、工作近24天,完成了大量的科学实验项目,但这3名航天员乘联盟11号飞船返回地球过程中,由于座舱漏气减压,不幸全部遇难。礼炮2号发射到太空后由于自行解体而失败。苏联发射的礼炮3、4、5号小型空间站均获成功,航天员进站内工作,完成多项科学实验。其礼炮6、7号空间站相对大些,也有人把它们称作第二代空间站。这种空间站各有两个对接口,可同时与两艘飞船对接,航天员在站上先后创造过210天和237天长期生活记录,还创造了首位女航天员出舱作业的记录。前苏联于1986年2月20日发射入轨的和平号空间站,设计寿命为10年。2000年底,俄罗斯宇航局因和平号部件老化且缺乏维修经费,决定将其坠毁。和平号最终于2001年3月23日坠入地球大气层。我国在这一方面也做了很大的努力。天宫一号于2011年9月29日21时16分3秒在酒泉卫星中心发射,天宫一号全长10.4米,最大直径3.35米,由实验舱和资源舱构成。它的发射标志着中国迈入中国航天“三步走”战略的第二步第二阶段。2011年11月3日凌晨顺利实现与神舟八号飞船的对接任务。按照计划,神舟九号、神舟十号飞船将在接下来的时间里依次与天宫一号完成无人或有人交会对接任务,并建立了中国首个空间实验室。我国有望于2014年用“长征五号”把中国空间站送上太空,中国最终将建设一个基本型空间站。我国首个空间站大致包括一个核心舱、一架货运飞船、一架载人飞船和两个用于实验等功能的其他舱,总重量在100吨以下。其中的核心舱需长期有人驻守,能与各种实验舱、载人飞船和货运飞船对接。具备20吨以上运载能力的火箭才有资格发射核心舱。为此,我国将在海南文昌新建第四个航天发射场,可发射大吨位空间站。据透露,中国的首个空间站建成后,其核心舱可以不断加舱。届时,每年将往空间站发射若干个航天器。   知识窗·美国的天空实验室·   美国的天空实验室由轨道舱、多功能对接舱、过渡舱和阿波罗太阳望远镜组成,当时造价26亿美元。为了节省资金和时间,天空实验室借用了阿波罗计划的一些技术和部件。其中,全长8.9米、直径6.6米的轨道舱就是用土星5号第三级火箭的液氢液氧贮箱改装而成的,中间用一层隔板将其分隔成上下两部分,一部分是实验间,一部分是生活和工作区。轨道舱的两侧安装了两块总面积730平方米,如同翅膀一样的大型太阳能电池板,作为天空实验室的主要供电系统。轨道舱的一端是直径6.6米、长5.3米的过渡舱,它的另一端连接着多功能对接舱。对接舱的一端和侧面各设有一个对接口,可同时对接两艘阿波罗飞船。天空实验室还安装了一台最主要的科学仪器——阿波罗天文望远镜。它总重11吨,包括8种光学仪器,价值1.2亿美元。镜架上装有4块总面积为140多平方米的太阳电池板,可为望远镜提供11千瓦的电能。   轨道舱、多功能对接舱、过渡舱和阿波罗飞船连在一起全长36米,重约90吨,内部容积达300多立方米,相当于一套两室一厅的住房,规模比前苏联的礼炮号和和平号空间站大得多。   1.如果一个星系中央的黑洞毁灭,那些被抛出的恒星还会有属于自己的行星吗?可能有行星、卫星、彗星、流星、星际尘埃喷出来吗?   2.如果两个星系合并,那么两个星系中的行星系(如太阳系)会不会分散?分散的行星能不能被其他恒星控制住?   3.什么样的天体(除黑洞以外)能合并?   现代天文科技之——天文望远镜   天文望远镜是观测天体不可缺少的工具之一,如果没有望远镜的诞生和发展,就没有现代天文学。随着望远镜在各方面性能的改进和提高,天文学也正经历着巨大的飞跃,所以,天文望远镜的发展迅速推进了人类对宇宙的认识。我们的肉眼其时就是一台光学仪器,肉眼可以看到220万光年以外的仙女座大星云,但是看不见距离地球最近的太阳系外恒星比邻星(4.2光年)。所以说一个光学仪器能看多远是没有意义的,只能说看多清。   ※手绘哈勃空间望远镜   ◎天文望远镜   第一个制造望远镜的就是伽利略,它所制造成的望远镜为折射式望远镜。1609年,伽利略所制作的折射式望远镜其口径为42厘米,长约12厘米。伽利略利用平凸透镜作为物镜,凹透镜作为目镜,这种光学系统也被称为伽利略式望远镜。伽利略用这架望远镜指向天空,获得了一系列的重要发现,天文学从此也进入了望远镜时代。   折射望远镜的优点是焦距长,底片比例尺大,对镜筒弯曲不敏感,最适合于做天体测量方面的工作。折射望远镜的缺点就是色差大,同时对紫外、红外波段的辐射吸收很厉害,而巨大的光学玻璃浇制也十分困难。到1897年叶凯士望远镜建成,折射望远镜的发展达到了顶点。此后的这一百年中再也没有更大的折射望远镜出现。这主要是因为从技术上无法铸造出大块完美无缺的玻璃做透镜,并且,由于重力使大尺寸透镜的变形会非常明显,因而丧失明锐的焦点。   折反射式望远镜最早出现于1814年。1931年,德国光学家施密特用一块别具一格的接近于平行板的非球面薄透镜作为改正镜,与球面反射镜配合,制成了可以消除球差和轴外像差的施密特式折反射望远镜,这种望远镜光力强、视野大、像差小,适合于拍摄大面积的天区照片,尤其是对暗弱星云的拍照效果非常突出。施密特望远镜已经成了天文观测的重要工具。由于折反射式望远镜能兼顾折射和反射两种望远镜的优点,非常适合业余的天文观测和天文摄影,得到了广大天文爱好者的喜爱。折反射式望远镜又将天文学向前推动了一步。   到了近代,国际上又掀起了制造了新一代大型望远镜的热潮。其中,欧洲南方天文台的VLT,美、英、加合作的GEMINI,日本的SUBARU的主镜采用了薄镜面;美国的HET望远镜的主镜采用了拼接技术。   微波背景辐射发现后,又出现了射电天文学,射电望远镜为其发展起到了关键性的作用。射电望远镜根据天线设计要求的不同可以分为连续和非连续孔径射电望远镜两种。这种望远镜可以测量天体射电的强度、频谱及偏振等量。包括收集射电波的定向天线,放大射电信号的高灵敏度接收机,信息记录﹑处理和显示系统等。2012年3月,正在建设中的上海65米口径可转动射电天文望远镜紧张施工,预计于下半年完工,或将成为亚洲最大的射电望远镜。   除了这些望远镜之外,还有空间望远镜。空间观测设备与地面观测设备相比,有极大的优势:以光学望远镜为例,望远镜可以接收到宽得多的波段,短波甚至可以延伸到100纳米。没有大气抖动后,分辨本领可以得到很大的提高,空间没有重力,仪器就不会因自重而变形。前面介绍的紫外望远镜、X射线望远镜、γ射线望远镜以及部分红外望远镜的观测都是在地球大气层外进行的,也属于空间望远镜。   在空间望远镜中最著名的有哈勃空间望远镜。哈勃望远镜是由美国宇航局主持建造的四座巨型空间天文台中的第一座,也是所有天文观测项目中规模最大、投资最多、最受到公众注目的一项。哈勃望远镜建于1978年,设计历时长达7年,1989年完成,并于1990年4月25日由航天飞机运载升空,耗资30亿美元。但是由于人为原因造成主镜光学系统的球差,不得不在1993年12月2日进行了规模浩大的修复工作。成功的修复使HST性能达到甚至超过了原先设计的目标。观测结果表明,它的分辨率比地面的大型望远镜高出几十倍。   知识窗·天文望远镜的原理·   天文望远镜由物镜和目镜组成,接近景物的凸形透镜或凹形反射镜叫做物镜,靠近眼睛那块叫做目镜。   远景物的光源视作平行光,根据光学原理,平行光经过透镜或球面凹形反射镜便会聚焦在一点上,这就是焦点。焦点与物镜距离就是焦距。再利用一块比物镜焦距短的凸透镜或目镜就可以把成像放大,这时观察者觉得远处景物被拉近,看得特别清楚。   1.星球是如何形成的?(流星如何形成?彗星如何形成?卫星如何形成?行星如何形成?恒星如何形成?)   2.星球和黑洞的大小会变吗?如果会,那又是因什么而变?变化有规律吗?   3.小行星(例如火星、木星间的小行星带)有属于自己的卫星吗?   近现代人类对宇宙的探索   也许人类诞生的时候,就有了飞翔的梦想。没有人知道这个梦想是谁提出来的,也没有人知道这个梦想是什么时候开始萌发的,但是唯一可以确定的是,这个梦想充斥着飞天神话的人类幼年记忆,并且代代相传直至今天。当双脚还只能停留在大地上的时候,人们已经看到了它达到一个人类自己也不知道有多高、多远的地方。只要有梦想,就会有结果。飞天梦想是人类对太空最初的思考与渴望。用文字记载有关人类飞向太空的梦想至少有数千年。古代中国就有“嫦娥奔月”、敦煌莫高窟“飞天”图案等美丽的传说,这些传说也是通过这个梦想而编织出来的。西方航天学界认为,中国明朝人万户是人类第一个尝试用火箭飞天的人,并将月球上一座环形山命名为“万户”,以表纪念。   ※嫦娥一号发射   ◎探索过程   进入20世纪,人们观念中关于宇宙空间的科学概念已逐渐形成,并且在世界各国都活跃着一大批航天先驱。1903年是人类飞天史上的一个重要的里程碑。1903年,莱特兄弟驾驶着他们在自行车修理车间里制造的第一架飞机“飞行者1号”,这个发明也实现了人类历史上第一次成功的空中飞行梦想。   1903年,双耳失聪的俄国科学家齐奥尔科夫斯基在论文中也提出了著名的“火箭公式”,论证了用火箭发射航天器的可行性。他在论文中指出:最理想的推进剂不是火药,而是液体燃料;单级火箭在当时达不到宇宙速度,必须用多级火箭接力的办法才能进入宇宙空间。正是凭着这位“航天之父”的天才构想,一扇通往太空的科学之门打开了。1957年10月,在哈萨克的大荒原里,前苏联用火箭把第一颗人造地球卫星“斯普特尼号”送上了天。这颗直径580毫米、太空运行仅92天的小卫星,宣告着人类进入到一个空间探索的新时代。科技在不断地发展,人们的飞天梦想也慢慢地在实现中升华。   1961年4月,在9次无人飞船试验成功后,“东方1号”飞船首次载着27岁的前苏联空军少校加加林,进行了108分钟的太空旅行。这是人类历史上第一次载人航天飞行,加加林也成为人类造访太空的第一人。   1961年,美国也启动“阿波罗登月计划”。8年之后的7月21日,美国宇航员阿姆斯特朗就月球上留下了人类的第一个足印。在踏上月球的一刻,人类第一位月宫使者由衷慨叹:这是个人的一小步,却是人类的一大步。   载人航天工程的复杂性决定了这必然是一项充满着风险与挑战的事业。从邦达连科算起,至今已经有22名航天员为此献出了宝贵的生命。然而,尽管这样,人类探索太空的征程也决不会停止,他们都相信迎接探索者的必将是光辉的未来。国际空间站,一个共同探索、和平开发宇宙的平台。从飞船到空间站,人们用不懈的探索搭建起了通往“天宫”的云梯。   1970年4月24日,中国第一颗人造卫星发射成功。那一年,胡世祥30岁,他是按下发射“东方红一号”卫星火箭点火按钮的操作手;戚发轫37岁,是“东方红一号”卫星的技术负责人。   33年后,2003年的10月15日,他们分别以中国载人航天工程副总指挥和载人飞船系统总设计师的身份,出现在中国首次载人航天飞行的指挥大厅里。9时整,“长征二号F”型火箭托举着神舟五号载人飞船轰然起飞。浩瀚太空迎来了第一位中国访客——38岁的中国航天员杨利伟。在343公里的高度上,中国人第一次在自己的航天器上看到了人类美丽的地球家园。   2005年10月12日至17日,我国成功进行了第二次载人航天飞行,也是第一次将我国两名航天员同时送上太空。10月12日9时零分零秒,发射神六飞船的长征二号F型运载火箭点火。火箭在点火4秒钟后升空,轰鸣声回荡在戈壁滩上空。这是长征火箭第88次发射。   2008年9月25日,我国第三艘载人飞船神舟七号成功发射,三名航天员翟志刚、刘伯明、景海鹏也顺利升空。   科学在不断地发展,人类对宇宙的探索将在科学的基础上继续,终有一天,我们会通过高科技产品将宇宙的面纱揭开。   知识窗·火箭·   火箭是由装有易燃混合物的壳体组成的装置,燃烧之后生成的气体向后排出,从而产生反作用力把它发射到空中。火箭发动机是一种反作用力式的发动机,它是以一条著名的牛顿定律作为基本驱动原理的,此定律认为“每个作用力都有一个大小相联系,方向相反的反作用力”,因此火箭就是向一个方向抛射物质,结果就会获得另一个方向的反作用力。火箭是目前唯一能使物体达到宇宙速度的科技产品,它可以克服或摆脱地球引力,进入宇宙空间的运载工具。   火箭根据不同的方法可以分为不同种类,按能源的不同,可以分为化学火箭、核火箭、电火箭以及光子火箭等;按用途不同可以分为卫星运载火箭、布雷火箭、气象火箭、防雹火箭以及各类军用火箭等。   1.绕着卫星转的叫什么?   2.M78星云在银河系内吗?如果不是,是在哪里?   3.天体都是怎么形成的?   4.星球会因什么毁灭?毁灭之后,残片会怎样?   现代航天科技发展迅速的原因   ※神舟六号航天员杨利伟   航天发达的国家越来越多,航天的工作也是一个耗资很大的工作。尽管如此,好多国家还是愿意用很大的资金来支持航天工作,原因就是为了能够更多地了解太空,使科学不断地进步,还可进行太空科学实验。国际空间站作为科学研究和开发太空资源的平台,为人类提供一个长期在太空轨道上进行对地观测和天文观测的机会。国际空间站上的生命科学研究可分为人体生命学与重力生物学两方面:人体生命科学的研究成果可直接促进航天医学的发展。重力生物学和材料科学的研究与应用有广阔的前景。针对太空微重力这一特殊因素来说,国际空间站就能给研究生命科学、生物技术、航天医学、材料科学、流体物理、燃烧科学等提供比地球上好得多、甚至在地球无法提供的优越条件,直接促进这些科学的进步。同时,国际空间站的建成和应用,也是向建造太空工厂、太空发电站,进行太空旅游,建立永久性居住区,向太空其他星球移民等远期目标接近了一步。国际空间站是科技中最大的一项发明,它的发明使人类又向科学时代迈了一大步。   空中的高真空、强辐射、高洁净、高热、深冷和微重力环境以及航天器独有的轨道高度,都是地面上难以获得的宝贵资源。因此,科学家们利用这些特殊的环境,进行各领域太空中的科学研究。航天医学家和生物学家利用太空的失重环境,研究重力消失对人体和生物体的影响;材料学的专家们利用航天器上接近零重力的环境,研制出许多新型材料;太空中对地中国的太空实验观察将能够更好地跟踪地球环境的变化;天文学家也利用各种探测器来揭示宇宙的奥秘……   利用太空的特殊环境和资源,进行地面难以进行的科学实验,可获取新的知识和技术,促进人类社会的进一步发展,提高人们的生活质量。   ◎太空的特殊环境和主要资源   太空失重——长时间,大范围。   超高真空——真空水平达到10-8~10-14托(1托=133322帕),长时间,大容量。   超净——无尘埃。   超静——无大地传递的振动,无环境噪声。   深冷——宇宙背景绝对温度4度,无与伦比的热容量。   高度位置——距地面数百千米、甚至数万千米高空,连续、定期、重复、无干扰,视野广阔。   廉价无污染能源——太阳能。   航天事业发展的初期着重于高度位置资源的利用,通信卫星、资源卫星、气象卫星、海洋卫星、导航卫星等各种应用卫星均是利用高度位置资源有效地为人类社会服务的科技产品。但是,在失重等其他太空资源的利用上考虑得不多,而载人航天主要是利用失重资源以及其他资源进行科学和技术实验,为人类社会的发展探索新的动力。   失重环境提供了一种极端物理条件,在这种物理条件下,许多物理规律不同于重力环境。例如,由重力引起的流体自然对流基本消除,扩散过程成为主要因素;流体中浮力基本消失,液体的约束力来自于表面张力;润湿现象(液体在另一种物体表面的扩散现象)和毛细现象加剧;流体静压力消失等。   知识窗·科技产品——飞机·   史上第一架飞机是由美国的一对兄弟——莱特兄弟发明的,他们通过1000多次的实验试飞,终于在1903年发明出了第一架飞机,这是人类在飞机发展史上取得的最大的成功。飞机出现在我国也是较早的,中国历史上第一个飞行家和飞机设计师——冯如。莱特兄弟发明飞机不久之后,1907年他在奥克兰设立飞机制造厂,并担任总工程师,在9月21号的时候,他所发明的飞机试飞成功,并得到了好多人的赞许。从此飞机在不断地改变,人们也进入了一个飞行的时代。   现代社会,飞机的发明使航空运输业得到了空前的发展,许多为工业发展所需的种种原料拥有了新的来源和渠道,同时也大大减少了人们对当地自然资源的依赖程度,特别是现代的超音速飞机,使空中运输业更加兴旺。   1.列举航天事业中的科技产品?   2.具体说明航天事业飞速发展的原因?

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