天文學(xué)恒星

1、恒星北京天文館 張長(zhǎng)喜,⒈恒星的一般性質(zhì),⑴恒星的概念，人們用肉眼不用望遠(yuǎn)鏡觀看天上的星星，除了太陽系內(nèi)的五顆大行星、流星和彗星外都是恒星。與行星不同它們的位置看來固定不變，因而古人稱之為“恒”星，即固定不動(dòng)的星。一般來說，恒星都是氣體球，沒有固態(tài)表面，通過自身引力聚集而成。它區(qū)別于行星的一個(gè)重要性質(zhì)是它自己能夠強(qiáng)烈發(fā)光。太陽是一顆恒星。,⑵恒星的距離和光度,天文學(xué)上的距離單位，①天文單位，即日地平均距離，為1AU=1495

2、97870千米②光年，光在一年中走過的距離，1l.y.=0.946053×1016米③秒差距，周年視差為1″對(duì)應(yīng)的距離，1pc=3.08568×1016米④除太陽外，距離我們最近的恒星叫比鄰星，（半人馬座α）距離為4.22光年。因此即使在望遠(yuǎn)鏡中恒星仍是一個(gè)光點(diǎn)。,⑵恒星的距離和光度,恒星的光度、照度和星等光度：恒星內(nèi)部產(chǎn)生的能量，不斷向表層轉(zhuǎn)移，最終從恒星表面逸出，射向太空。它的能量發(fā)射率，即整個(gè)星面每秒釋

3、放的能量。表示恒星的發(fā)光或輻射本領(lǐng)。照度：對(duì)于接受天體輻射的人眼或儀器來說，單位時(shí)間入射到其單位面積的能量。表示某處感應(yīng)器感應(yīng)到的恒星的能量。亮度：我們看起來恒星的明亮程度。實(shí)際上就是照度。星等(視星等）：公元前2世紀(jì)，希臘天文學(xué)家喜帕恰斯（Hipparchus）把肉眼看見的恒星分為六個(gè)等級(jí)，最亮的為一等星，最暗的為六等星。1850年普森（pogson）把星等跟光度計(jì)測(cè)出的亮度作比較，發(fā)現(xiàn)星等相差5等，亮度之比約為100，因此有公

4、式 m1－m2=Klg(E2－E1) 太陽：﹣26.75，夜空最亮恒星天狼星：﹣1.44，金星最亮?xí)r：﹣4.4，滿月：﹣12.74。 星等系統(tǒng)：目視星等、照相星等、光電星等,⑶恒星的大小和質(zhì)量,①恒星大小的測(cè)量方法：干涉法，月掩星法，對(duì)食雙星法②觀測(cè)結(jié)果；恒星的直徑相差很大，大的有太陽直徑的幾百倍甚至一兩千倍，小的只有不到太陽直徑的十分之一。如獵戶座α（參宿四）直徑為太陽的900倍，恒星的質(zhì)量，它是恒星最重要

5、的一個(gè)物理量，是恒星內(nèi)部性質(zhì)和如何演化的決定因素。恒星的質(zhì)量比較難以測(cè)定。恒星的質(zhì)量大體介于0.08(0.01)至50(200)個(gè)太陽質(zhì)量。太陽質(zhì)量為1.989×1030千克。若恒星質(zhì)量太大，則不穩(wěn)定，容易發(fā)生爆炸和分裂；若質(zhì)量太小，則不能產(chǎn)生核聚變反應(yīng)，星體不能發(fā)光，則不成其為恒星了。,⑷恒星的光譜,①什么是光譜？②什么是恒星光譜？③恒星光譜的分類。O型：藍(lán)星，有效溫度40000~30000K。

6、 B型：藍(lán)白星，有效溫度30000~10000K A型：白星，有效溫度10000~7500K F型：黃白星，有效溫度7500~6000K G型：黃星，有效溫度6

7、000~5000K K型：紅橙星，有效溫度5000~3500K M型：紅星，有效溫度3500~2500KOh，Be a fine girl kiss me.,⑷恒星的光譜,④ 20世紀(jì)初，天文學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，恒星的光譜型序列反映了恒星演化的順序，即從O型星逐漸冷卻演變到M型星。因

8、此O和B型星稱為早型星，k和M型星稱為晚型星。后來知道這是不對(duì)的。⑤ 恒星連續(xù)輻射隨波長(zhǎng)的分布，近似于溫度等于恒星有效溫度的黑體輻射能量的分布，因而恒星的連續(xù)光譜也隨光譜型而變化。 天狼星和織女星，白色，A型星， 室女α（角宿一），藍(lán)色，O型星， 太陽，黃色，G型星， 獵戶α（參宿四）和天蝎α

9、（心宿二），紅色，M型星⑥ 恒星的光譜分析在天體物理學(xué)中占有重要地位，它可以定性或定量的測(cè)定恒星的化學(xué)成分，直接或間接的確定恒星的表面溫度、光度、直徑、質(zhì)量、磁場(chǎng)。研究恒星的視向運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)。,⑸恒星的化學(xué)成分,① 恒星的化學(xué)成分是通過恒星的光譜分析方法得到的。② 太陽的化學(xué)成分：已證認(rèn)出存在的元素69種，這些元素的含量相差懸殊。按質(zhì)量而言，氫78.4%、氦19.8% 、氧0.8% 、碳0.3% 、氮0.2% 、氖0.2% 、鎳0.2

10、% 、硅0.06% 、硫0.04% 、鐵0.04% 、鎂0.015% 、鈣0.009%…③ 大多數(shù)恒星的化學(xué)成分同太陽差不多。少數(shù)恒星的化學(xué)成分是特殊的。例如：在碳型星中，碳元素特別多。在S型星中，鋯和锝元素特別多。,⑹赫羅圖和恒星的結(jié)構(gòu),① 什么是赫羅圖？丹麥科學(xué)家赫茨普龍(E.Hertzsprung)于1911年，美國天文學(xué)家羅素（H.N.Russell）于1913年，分別獨(dú)立的繪制了恒星的光譜—光度圖。② 恒星的結(jié)構(gòu)，恒星的光

11、球以內(nèi)稱為恒星內(nèi)部，光球以外稱為恒星大氣。③ 恒星的核反應(yīng)，聚變反應(yīng)。,⑺恒星的自轉(zhuǎn),① 多普勒原理②自轉(zhuǎn)是星球的一種普遍現(xiàn)象，地球、月球、太陽和太陽系的各大行星都在自轉(zhuǎn)，恒星也是如此。,⒉變星,①變星：凡光學(xué)波段亮度有變化的恒星，不管是由于內(nèi)在的物理原因還是外在的幾何原因，都稱為變星。②分類：內(nèi)因變星（物理變星）和外因變星（幾何變星或光學(xué)變星）③內(nèi)因變星： 脈動(dòng)變星，星體程度不同地發(fā)生有節(jié)奏的大規(guī)模運(yùn)動(dòng)，

12、如徑向脈動(dòng)，星體交替的膨脹和收縮，引起光度、半徑和溫度的變化。它是恒星演化到某些短暫的不穩(wěn)定階段的產(chǎn)物。 極早期演化階段的變星，如金牛T型星。 耀星，亮度增加率在每分鐘0.3星等以上的變星。 新星，亮度在很短的時(shí)間內(nèi)（幾小時(shí)至幾天）突然劇增，然后緩慢減弱，增量幅度多在9—14等之間。實(shí)際上它不是‘新’誕生的星，它是已演化到老年階段的星。只不過以前是一顆很微弱的星。,⒉變星

13、,④ 超新星，超新星的爆發(fā)規(guī)模比新星還要大，它發(fā)亮?xí)r亮度的增幅為新星的數(shù)百至數(shù)千倍，拋出的氣殼速度可超過10000km/s。是所有變星中最壯觀的一類，是恒星的災(zāi)變性爆發(fā)。輻射能估計(jì)為1042~1043J,拋出的物質(zhì)質(zhì)量達(dá)1~10m⊙,動(dòng)能達(dá)1043~1044J。 宋史記載，1054年7月4日在金牛座ζ附近出現(xiàn)了一顆超新星，有23天在白天能見到，像金星那樣亮，最亮?xí)r目視星等約為﹣5等，到1056年4月6日消失，故能用肉眼看到

14、的時(shí)間達(dá)21個(gè)月。蟹狀星云距離2000pc，7′×4.8′，4pc×3pc。 超新星1987A于1987年2月23日夜晚，在智利拉斯坎帕斯天文臺(tái)被謝爾頓觀測(cè)到，它是383年以來最明亮的、肉眼唯一可見的超新星；是除太陽之外人類唯一探測(cè)到中微子的天體源。鐵核，T109K，密度 1011kg/m3。裂變，吸能，塌縮，耗能，塌縮加速，溫度密度增加，生成中子，中微子動(dòng)能輻射能，帶走能量，能量來自引力勢(shì)能

15、。,⒊不同的恒星系統(tǒng),① 雙星，為包含兩顆恒星的系統(tǒng)，在相互引力的影響下，兩顆恒星繞著它們共同的引力中心描繪出閉合的軌道。較亮的子星為主星，較暗的子星為伴星。根據(jù)觀測(cè)方法又可分為目視雙星、分光雙星和食雙星。利用雙星的軌道運(yùn)動(dòng)參數(shù)和開普勒定律可以測(cè)定恒星的質(zhì)量。典型的雙星，英仙β（大陵五），天琴β，大熊W。 開普勒定律，恒星質(zhì)量，恒星形狀和大小，恒星演化，變星爆發(fā) ② 聚星，三顆到

16、六、七顆恒星在相互引力作用下聚集在一起而組成的系統(tǒng)稱為聚星。三顆星組成的系統(tǒng)較三合星，四顆星在一起的叫四合星，以此類推。③在銀河系中，雙星和聚星是很多的。在太陽附近的幾十光年內(nèi)，約60%~70%的恒星是雙星或聚星的成員。,,⒊恒星的不同系統(tǒng),④ 星團(tuán)，是恒星的集團(tuán)，其成員星的密度顯著的高于周圍空間星的密度，并且通過彼此之間的引力作用而聚集在一起。⑤疏散星團(tuán)，它的形態(tài)不規(guī)則，包含十幾至二三千顆恒星，成員星分布得較松散。直徑1~10pc

17、，大多在銀道面附近。如金牛座中的卯星團(tuán)（約120顆星組成，直徑4pc，距離125pc）和英仙雙星團(tuán)（NGC884右和NGC869左）。星協(xié)。⑥球狀星團(tuán)，呈球形或扁球形，與疏散星團(tuán)相比，它們是緊密的恒星集團(tuán)。包含104~107顆恒星,直徑5~107pc，成員星的質(zhì)量比太陽略小。如半人馬座ω,為全天最亮，整個(gè)星團(tuán)累積的目視星等3.54m。北半天球最亮的武仙座中的M13（NGC6205），累計(jì)目視星等為5.80m。⑦星系，星系團(tuán)，超星系團(tuán)

18、。,,,,,武仙座m13,半人馬座ω，NGC5139,⒋星云和星際物質(zhì),①星云一般位于銀河系內(nèi)，由氣體和塵埃組成。按照形狀、大小和物理性質(zhì)，銀河系內(nèi)星云分為行星狀星云、發(fā)射星云、反射星云和暗星云。發(fā)射星云和反射星云一起成為亮星云。亮星云和暗星云又統(tǒng)稱為彌漫星云。彌漫星云可能是恒星的產(chǎn)床，而行星狀星云則多是恒星的墳?zāi)?。②行星狀星云，呈圓形或扁圓形，與大行星很相像。一般在其中央可以觀測(cè)到一顆高溫恒星，稱為中央星或核心星。有的中央星太暗弱或

19、星云物質(zhì)太稠密不容易被觀測(cè)到。線直徑為0.1~幾光年，質(zhì)量0.01~1m⊙。一般在緩慢膨脹。NGC7293，M57。③發(fā)射星云，光譜中在很弱的連續(xù)背景上有許多發(fā)射線，包含氣體和塵埃，元素氫氦氮碳氧氖硫氯鐵等。獵戶座星云M42。④反射星云，有吸收線。⑤暗星云，人馬座的三葉星云，獵戶座的馬頭星云。,NGC7293,m57,⒋星云和星際物質(zhì),⑥星際物質(zhì)，又稱星際介質(zhì)，星際空間中存在的各種物質(zhì)，包括星際原子、星際分子、星際塵埃和宇宙線。星

20、際原子，氫碳氮氧鎂硅硫磷氯氬錳，鈣鈉鉀鐵鈦等。星際分子，H2、NH3、H2O、CO、H2CO等。星際塵埃，硅酸鹽、金屬顆粒、石墨和水冰等。星際塵埃可引起消光和紅化。宇宙線，質(zhì)子、α粒子、電子和其他一些原子核。,⒌恒星的形成和演化,① 恒星的形成，超過一定質(zhì)量的星云，在受到外部的某種擾動(dòng)，比如超新星爆發(fā)產(chǎn)生的激波，會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性，從而引起收縮。收縮過程的星云可能會(huì)分裂成一些碎塊，因此我們看到的恒星大多是成群和成團(tuán)出現(xiàn)的。分裂后的星云碎塊會(huì)

21、繼續(xù)收縮，星云的引力勢(shì)能轉(zhuǎn)變成星云的熱能，使星云的溫度升高，同時(shí)星云的密度增加。這個(gè)階段的最后形成一個(gè)近似處于流體靜力學(xué)平衡的低密度的冷星體，稱為原恒星。從大的星云收縮、經(jīng)過分裂到原恒星形成的整個(gè)過程，不同的對(duì)象會(huì)經(jīng)過不同的時(shí)間，但一般不超過106年。原恒星看上去是一個(gè)暗的星體，它會(huì)繼續(xù)緩慢收縮，體積逐漸變小，溫度繼續(xù)升高。這一過程是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，最終它的核心溫度達(dá)到可以使得氫原子的核聚變反應(yīng)得以進(jìn)行時(shí)，原恒星就轉(zhuǎn)變成了主序星。從原恒

22、星演化到主序星，不同質(zhì)量的原恒星需要不同的時(shí)間，比如15個(gè)太陽質(zhì)量的原恒星需要105年，而一個(gè)太陽質(zhì)量的原恒星需要107年。,原恒星的噴流,⒌恒星的形成和演化,星云收縮碎裂、再收縮形成原恒星，原恒星繼續(xù)收縮到其核心開始核聚變時(shí)，恒星便開始了其一生中駐留時(shí)間最長(zhǎng)的穩(wěn)定階段—主序星階段。這一階段大約占恒星壽命的80%，這是我們夜晚觀測(cè)的各類恒星中主序星占大多數(shù)的原因。星云收縮可以形成各種不同質(zhì)量的恒星，不同質(zhì)量的恒星則具有不同的結(jié)構(gòu)和物理性

23、質(zhì)。比如對(duì)于具有一個(gè)太陽質(zhì)量的恒星由中心到表面分別是核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)和對(duì)流區(qū)；而對(duì)于5個(gè)太陽質(zhì)量的恒星由中心到表面分別是核反應(yīng)區(qū)、對(duì)流區(qū)和輻射區(qū)。這兩種恒星核反應(yīng)的過程也是不同的。前者是質(zhì)子—質(zhì)子反應(yīng)鏈，后者是碳氮循環(huán)反應(yīng)。當(dāng)恒星走到主序星階段的尾聲時(shí)，核心區(qū)的氫元素逐漸耗盡，氫核聚變反應(yīng)開始在核心區(qū)周圍的殼層中進(jìn)行。此時(shí)整個(gè)星體體積增大，恒星表面溫度降低，逐漸變成一顆紅黃色的恒星。在恒星中心物質(zhì)收縮，溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到108k時(shí)，

24、中心的氦原子開始進(jìn)行核聚變。若恒星的質(zhì)量足夠大，當(dāng)核心的氦原子耗盡時(shí)，碳原子便開始進(jìn)行核聚變。外層有氫和氦兩個(gè)殼層核反應(yīng)區(qū)，像洋蔥頭的結(jié)構(gòu)。恒星還可以進(jìn)行更高元素的核反應(yīng)直到形成鐵族元素為止。此時(shí)恒星呈紅色，為紅巨星。若恒星質(zhì)量不足0.5個(gè)太陽質(zhì)量，則不會(huì)進(jìn)行氦及其以后的核反應(yīng)。恒星在紅巨星階段演化時(shí)，它會(huì)拋出許多物質(zhì)。這樣在小質(zhì)量的紅巨星走到它的生命終點(diǎn)時(shí)，內(nèi)部是電子簡(jiǎn)并的致密物質(zhì)，周圍是行星狀星云。而大質(zhì)量的紅巨星演化到末期時(shí)則會(huì)

25、產(chǎn)生超新星爆發(fā)，形成中子星。更大質(zhì)量的紅巨星，還會(huì)形成黑洞。這樣恒星也就走完了其光芒四色的一生。變成在可見光波段默默無聞的白矮星、中子星或者黑洞。,⒍恒星的歸宿------白矮星、中子星和黑洞,①白矮星白矮星的體積只有地球這么大，不過它的質(zhì)量卻和太陽差不多，因此它的密度大的驚人，一勺白矮星上的物質(zhì)就有十噸重！不過它已經(jīng)可以說是死亡的恒星了。質(zhì)量和太陽類似的恒星，在進(jìn)入紅巨星階段后，隨著內(nèi)部燃料的減少，在引力作用下，內(nèi)核會(huì)逐漸收縮，成為白

26、矮星，而外殼在強(qiáng)烈的輻射作用下會(huì)繼續(xù)向外膨脹，成為行星狀星云，此時(shí)整個(gè)恒星也就壽終正寢了。 ②光度低，表面溫度較高，呈白色。質(zhì)量0.2~1.1m⊙，質(zhì)量極限1.44m⊙，溫度5500~40000K。天狼星的伴星，8.68m,有效溫度24790K。質(zhì)量1.034太陽質(zhì)量，0.0084太陽半徑，體積為地球的四分之三。,⒍恒星的歸宿------白矮星、中子星和黑洞,②中子星，中子星的體積比白矮星還要小的多，直徑只有幾十公里，而質(zhì)量卻比兩個(gè)太

27、陽還大。因此它的密度就更驚人了，一勺中子星上的物質(zhì)就有十億噸！和白矮星類似，中子星也可以說是已經(jīng)死亡了的恒星。只不過中子星的前身是比太陽大的多的恒星。在晚年成為紅巨星之后，燃料即將耗盡，在強(qiáng)大的引力作用下，內(nèi)核劇烈收縮，產(chǎn)生爆炸，同時(shí)釋放出巨額能量，其亮度能達(dá)到原來的一億倍，這就是超新星。超新星爆發(fā)后，在原來恒星的核心區(qū)域，留下的殘骸就是中子星，外面是星云狀的超新星遺跡。我們熟悉的蟹狀星云就是這樣的超新星遺跡。中子星的體積這樣小，用望遠(yuǎn)

28、鏡是很難看到的。然而中子星有個(gè)奇怪的性質(zhì)，它能夠非常規(guī)律地，周期性向外發(fā)出射電脈沖輻射。我們最早發(fā)現(xiàn)中子星就是在射電波段接受到了這樣的脈沖信號(hào)，當(dāng)時(shí)人們還以為是外星人給我們發(fā)的電報(bào)呢！后來人們把它叫做脈沖星。質(zhì)量極限2~3m⊙，半徑10~20km。表面密度109kg/m3，中心1018kg/m3。,⒍恒星的歸宿------白矮星、中子星和黑洞,③黑洞，質(zhì)量再大一點(diǎn)的恒星，在經(jīng)過超新星爆發(fā)后，核心區(qū)域則可能會(huì)形成一個(gè)黑洞。黑洞（bla

29、ck hole）這個(gè)詞是1967年才由著名物理學(xué)家惠勒（John Wheeler）提出來的。不過黑洞這個(gè)概念卻早以有了。早在1783年，米歇爾(John Michell)就認(rèn)為光應(yīng)該向其他的物質(zhì)一樣，會(huì)受到物質(zhì)產(chǎn)生的引力的吸引。因此如果一個(gè)發(fā)光的天體，如果質(zhì)量足夠大，并且足夠致密，那么它產(chǎn)生的引力將使所有它發(fā)出的光線返回到這個(gè)天體。這樣這個(gè)天體就成了一個(gè)看不見的天體了。1795年，著名天文學(xué)家拉普拉斯（Piere-Simon）也發(fā)表過相