天體的起源和演化.ppt

第八章 天體的起源和演化,一 恒星的演化,恒星的主要觀測特征： 1. H-R圖式恒星演化的重要資料。從H-R圖上可以看出，90%以上的恒星集中在主星序，其它星序的恒星是很少的。除了由”單個恒星”所繪出的H-R圖外，天文學家還繪出了星團的H-R圖。疏散星團的H-R圖和球狀星團的H-R圖差別很大。這些差異，下面將會支出是反映了星團的年齡，也就是反映了處于不同演化階段的恒星，。,疏散星團,球狀星團,2. 恒星的化學組成也是一個重要資料。觀測正米昂恒星的化學組成差別很小。恒星中最豐富的元素是氫，其次是氦，重元素的含量遠小于氫和氦的含量。 3. 恒星的光度彌散很大。絕對星等有的亮到-9m，有的微弱到19.6m，即恒星的光度相差可達兩千八百億倍之巨。 4. 恒星的直徑有比太陽大千倍的紅巨星，也有僅僅是太陽萬分之一的中子星。 5. 恒星密度差異驚人。白矮星為107g/cm3左右，中子星內(nèi)部為1014g/cm3；而一些巨星，超巨星密度只有10-9g/cm3。 6. 表面溫度有的不到一千度，有的卻超過10萬度。,7. 磁場強度也是多種多樣的。中子星的磁場強度為1012-1013G。白矮星為107G;太陽普遍磁場也有幾高斯，有的恒星磁場更小。 8. 自轉(zhuǎn)角速度一本來說早型星較大、晚型星較小。自轉(zhuǎn)速度一般為幾十-幾百公里每秒，唯有中子星達幾千公里每秒。 9. 恒星的物理特性多種多樣，但質(zhì)量差異不顯著，最多只有上千倍之差。 10. 除了正常的恒星以外，氦發(fā)現(xiàn)了數(shù)以萬計的大量特殊類型的恒星，如脈動變星、新星、超新星、脈沖星等。多樣種類的恒星，為恒星演化提供了豐富的材料，是恒星演化學的觀測基礎(chǔ)和依據(jù)。 11. 近年來研究恒星的一個重要資料是證明了恒星的年齡是多種多樣的。球狀星團的年齡在109-1010年，疏散星團的年齡一般小于109年；星協(xié)的年齡為105 年左右，一些拋射物質(zhì)的不穩(wěn)定星位108年。對于光度很大的O型星、B型星，年齡一般為108年。,決定恒星特性的兩個主要因素是恒星的初始質(zhì)量和化學組成。由觀測可知，恒星形成要有一定的質(zhì)量，一般恒星的質(zhì)量范圍是0.1太陽質(zhì)量60太陽質(zhì)量。質(zhì)量太低，若小于0.08太陽質(zhì)量的天體，靠自身引力不能壓縮它的中心區(qū)達到熱核反應(yīng)并自身發(fā)可見光，如太陽系的木星有紅外輻射源，就不能稱恒星。大于60太陽質(zhì)量的天體，由自身引力壓縮，中心很快達到高溫，輻射壓大大超過物質(zhì)壓，很不穩(wěn)定，目前還未發(fā)現(xiàn)。 分析恒星光球的譜線可以獲悉恒星的化學組成大部分星最初含有70%氫，28%為氦，其它為重元素，但重元素的比例差別很大。富重元素的星稱為星族I，認為是晚期形成的；貧重元素的星叫星族II，認為是早期形成的。 同自然界一切事物一樣，恒星也有生老病死。恒星也經(jīng)歷著從發(fā)生、發(fā)展到衰亡的過程。恒星演化問題的基本認識是20世紀后半葉天文學的最大成就之一。概括地說，恒星的一生大體上是這樣度過的：星云分子云球狀體原恒星年輕的恒星中年恒星老年恒星衰老和死亡?？偟膩碚f，恒星在引力作用下“誕生“，也在引力作用下“死亡“。,快收階段是從星際云向恒星過渡的階段。開始收縮時，星際云的溫度很低，密度也低，引力占壓倒優(yōu)勢，收縮很快，物質(zhì)幾乎是向中心部分自由降落，在幾萬年到上百萬年時間內(nèi)，密度就增加十幾個數(shù)量級，直到內(nèi)部溫度逐漸升高，使得大氣微粒熱運動所產(chǎn)生的氣體壓力，輻射壓力，湍流壓力，,自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性離心力等與引力不可相比。在快收縮階段，恒星的能源是收縮時釋放的引力勢能，不存在平衡結(jié)構(gòu)。,在快收縮過程中，星云內(nèi)部的溫度逐漸增高，壓力不斷增大，當壓力增到近似與引力相等時，開始建立平衡結(jié)構(gòu)，這時星云由快收縮過程轉(zhuǎn)化為慢收縮過程。 在慢收縮階段，主要能源仍然是收縮時釋放的引力勢能，在慢收縮的末期，當中心溫度升到80萬度以上時，內(nèi)部開始出現(xiàn)熱核反應(yīng)，這種熱核反應(yīng)成為這一階段除了引力收縮以外的另一種能源，最先出現(xiàn)的是下列反應(yīng)： 3H+1H 3 He+ 溫度升高到300萬度左右，又出現(xiàn)了下列核反應(yīng)： 7Li+1H 24He+ 當溫度再增至350萬度時，就出現(xiàn)： 9Be+1H 6 Li+4He+ 和其他一些涉及、i、e、等輕元素的核反應(yīng)。由于這些元素含量低，而且反應(yīng)不是循環(huán)式的，因此，在反應(yīng)過程中輕元素的核很快就消耗完了，所以這類核反應(yīng)只能在短時期內(nèi)供應(yīng)能量。,不同質(zhì)量的恒星，收縮的時間不同，質(zhì)量等于太陽的恒星，慢收縮階段長約7500萬年，15 M的恒星，約6萬年，0.2 M的恒星，則長達17億年。 引力收縮階段為主序前階段。星際云收縮為原恒星。,慢收縮階段，星際云已完全轉(zhuǎn)化為恒星，物質(zhì)不再是透明的。內(nèi)部的結(jié)構(gòu)越靠近中心，溫度和密度都越高。該階段主要是紅光，恒星表面溫度為3000 左右。這時能量轉(zhuǎn)移已不是對流，而主要是靠輻射了。觀測到的一種金牛座T型變星就是出于這種慢收縮階段的年輕恒星，在H-R圖上這類變星位于主星序下半段的上面區(qū)域內(nèi)。銀河系內(nèi)這種變星是很多的，目前已發(fā)現(xiàn)的有1500多個。如果質(zhì)量在0.3M -3M 范圍內(nèi)的恒星，慢收縮階段多半以金牛座T型變星的形態(tài)出現(xiàn)。,金牛座T星,當恒星中心溫度繼續(xù)增高到700萬度時， 氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻?yīng)開始，并放出大量的能量，使壓力增高到與引力完全平衡，這時恒星停止收縮，處于嚴格的流體力學平衡狀態(tài)。恒星演化進入以內(nèi)部氫核聚變?yōu)楹ず俗鳛橹饕茉吹哪莻€階段稱為主星序階段，或叫作主序階段，主序星和主序后星的結(jié)構(gòu)是不同的。,恒星演化到主序階段，不同質(zhì)量的恒星，進入主星序的不同位置，質(zhì)量越大，位置越高，即光越大，表面溫度越高。通常把剛好到達主星序的恒星年齡定為零。所以年齡為零的恒星組成的序列稱為零齡主序。 對于主序星，就是屬于主星序的恒星，主要的核反應(yīng)是質(zhì)子質(zhì)子反應(yīng)和碳氮循環(huán)。一般質(zhì)量約小于1.5 M的恒星， 內(nèi)部核反應(yīng)以質(zhì)子質(zhì)子的反應(yīng)為主；而質(zhì)量約大于1.5 M的恒星， 內(nèi)部核反應(yīng)以碳氮循環(huán)為主，對太陽而言，目前質(zhì)子質(zhì)子反應(yīng)約占內(nèi)部熱核反應(yīng)的96%，碳氮循環(huán)約占4%。由于恒星里氫極為豐富， 而且氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻?yīng)相對進行得比較平緩，恒星在主星序上可以停留很長時間。事實上，主星序階段是恒星一生中最長的一個階段，但質(zhì)量不同的恒星在主星序停留的時間不同，質(zhì)量越大，停留的時間越短。太陽在主星序可以停留100億年（從現(xiàn)在算起至少50億年內(nèi)太陽還是穩(wěn)定的）；15M只能停1000萬年，0.2 M則停留1萬億年。恒星在主星序階段是比較穩(wěn)定的，雖然也有不穩(wěn)定現(xiàn)象，如太陽的耀斑爆發(fā)等，但一般說來，是局部性質(zhì)的，對整體影響不大。,根據(jù)恒星起源演化的理論，主序星有一質(zhì)量的極限， 即約為0.08 M，如果恒星的質(zhì)量小于這個數(shù)字， 其中心溫度和密度不可能高到足以產(chǎn)生氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻?yīng)，它們只能靠引力收縮發(fā)光。因此，這些小質(zhì)量的星不經(jīng)過主星序，直接由紅矮星轉(zhuǎn)化為黑矮星，耀星就是處于慢收縮階段、質(zhì)量小于0.08 M的恒星，是目前還在引力收縮的紅矮星。,恒星內(nèi)部越靠近中心，溫度越高，所以主序星內(nèi)部的氫核聚變反應(yīng)是在中心部分進行的，越靠近中心，氫會過早地被消耗殆盡，被合成氦，這樣，在中心部分便出現(xiàn)了一個由氦組成的核心。由于溫度還不夠高，氦的核反應(yīng)不能進行，氦核不產(chǎn)能，因此是等溫的。等溫氦核的周圍是氫燃燒的殼層，隨著時間的推移，等溫氦核越來越大，因氦核不產(chǎn)能，所以維持平衡越來越困難，當氦的質(zhì)量達到某一極限時，（對于質(zhì)量大于1.5 M的恒星，氦核的質(zhì)量達到總質(zhì)量的10%時）， 恒星的結(jié)構(gòu)將發(fā)生很大變化，此時氦核開始收縮，收縮釋放的引力能中一部分使氦核溫度升高，另一部分則轉(zhuǎn)移到外部，使外部膨脹，體積急劇增大，表面溫度降低，恒星便脫離主星序，開始向紅巨星演化，質(zhì)量特別大的恒星，則向超巨星演化。,恒星從主星序向紅巨星演化過程中，等溫氦核的氫燃燒殼層是主要的能源，核心的收縮，使溫度升高，密度變大，當溫度達到一億度時，密度達到105克/厘米3，氦開始“點火“， 氦核開始聚變?yōu)殁敽?，鈹核又很快和另一氦核反?yīng)，結(jié)合成碳核，這兩種反應(yīng)都產(chǎn)生光子： 4He4He 8Be 8Be4He 12C,在氦核聚變階段里，恒星內(nèi)部的物理狀況會發(fā)生變化，導(dǎo)致外層收縮，使恒星表面積減小，表面溫度升高。 總的來說，恒星脫離主星序以后，向紅巨星演化，但演化途徑非常復(fù)雜，有的恒星甚至不止一次地成為紅巨星。低質(zhì)量星由主序上升到巨星支，核閃和降到水平支，再升到漸近巨星支（簡稱AGB星），最后演變?yōu)樾行菭钚?云和白矮星。不同質(zhì)量的恒星演化途徑是不同的。,在下圖中標出光度和溫度外，還有等半徑線即虛斜線，一顆星在這圖上自左向右演化，表示它的表面溫度在降低，半徑在增大。質(zhì)量大的恒星（如圖中5 M、10M）演化進程從右方（即紅巨星）向左移，在離主星序不同距離處，又沿不同演化程回到右方，這樣可以來回幾次，但并不是重復(fù)上次。它們來回移動時跨過的赫羅圖上有一狹窄帶稱為不穩(wěn)定區(qū)（如造父變星的區(qū)域）。質(zhì)量小于1.5 M的恒星。值得一提，大質(zhì)量的原恒星演化的速度非常快，這一階段只需要數(shù)千年；而最小質(zhì)量的原恒星完成這一演化階段則需要數(shù)億年之久。,恒星的脈動，是恒星離開紅巨星階段后，可能演化的過程之一。在赫羅圖上部有一個脈動不穩(wěn)定區(qū)，恒星在演化中離開紅巨星區(qū)域后，就來到這個不穩(wěn)定區(qū)。因為在這個區(qū)域內(nèi)，還發(fā)現(xiàn)有不脈動的恒星，所以只能說來到該區(qū)的恒星有一部分脈動起來，周期性地膨脹和收縮。 在紅巨星階段，氦的燃燒是十分猛烈的，這樣，恒星的溫度很快升高，,致使核心膨脹，外層則收縮，恒星在赫羅圖上從紅巨星向左方演化，溫度和密度增高到一定的程度，碳氫進一步聚變?yōu)檠?，以后再變?yōu)槟省㈣F，以及其他更重的元素。中心部分溫度高，氦首先耗完，這樣，恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能是：最中心部分可能是一個等溫的碳和氧的核心，其外部為氦燃燒殼層，再外是氦未燃燒的殼層，再外層是氫燃燒的殼層，最外面是不產(chǎn)能的包層。再往后演化，合成重元素的種類越來越多，恒星的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。,在未燃燒的氦殼層中，氦處于電離狀態(tài)，此區(qū)域的溫度分布使一次電離氦原子處于部分的二次電離狀態(tài)，在此區(qū)域的外邊界處，溫度不夠高，氦原子不能二次電離，靠此區(qū)域下面，由于溫度較高，氦原子有一小部分處于二次電離，越靠下面，溫度越高被二次電的氦原子越多，至此，區(qū)內(nèi)邊界，全部氦原子都被二次電離，這個區(qū)起著維持脈動的作用。恒星收縮時，熱能增加到比抗吸引所需要的能量多，多余的部分就轉(zhuǎn)分為電離能而儲存起來，二次電離的氦原子增多。由于電離吸收的能量多，使溫度不能升高。當恒星膨脹時，熱能減小，儲存的能量便自動起來補充，二次電離氦原子（即氦核）和自由電子復(fù)合，回到一次電離的氦原子，復(fù)合時放出所需要的能量，使溫度不降低，脈動得以繼續(xù)下去。氦二次電離的區(qū)域太深，維持脈動區(qū)的不是它，而是它上面的氫電離區(qū)。脈動變星須受到小的擾動才能脈動起來，在脈動不穩(wěn)定區(qū)里的那些不脈動的星可能就是未受到擾動的星。,恒星經(jīng)過脈動階段后，還要經(jīng)歷一個大量拋射物質(zhì)的爆發(fā)階段，恒星拋失質(zhì)量在演化中起著不可忽視的作用。 爆發(fā)的方式多種多樣，例如行星狀星云就是恒星爆發(fā)方式之一的產(chǎn)物，云物質(zhì)是恒星拋射出來的。恒星在幾萬年內(nèi)，大致連續(xù)地拋射大量的物質(zhì)。到六十年代，人們才肯定，行星狀星云的核心是演化到晚期的恒星，其核心是由碳核組成，中層有氦，外層有氫。關(guān)于爆發(fā)原因，目前尚無定論。有一種可能，是中外層的氦和氫落入 核心部分，迅速聚變，釋放大量能量，引起大量物質(zhì)的拋射。另一種可能，是恒星內(nèi)氦聚變區(qū)域已延伸到外層，當接近恒星表面時，光度迅速增大，輻射壓力也隨著增大，導(dǎo)致大量物質(zhì)的流出和星云的形成。,還有的爆發(fā)方式是超新星、新星、再發(fā)新星和矮新星的爆發(fā)。它們都比行星狀星云核心星的爆發(fā)猛烈，它們彼此間的差別也主要是爆發(fā)的猛烈程度不同。對爆發(fā)不猛烈的再發(fā)新星和矮星新星，人們已經(jīng)觀測到多次爆發(fā)。 它們隔一段時間爆發(fā)一次，但時間間隔很長，超新星爆發(fā)最猛烈，有的爆發(fā)后就全部瓦解成許多碎塊和大量的彌漫物質(zhì)，有的則留下一部分物質(zhì)，成為一個質(zhì)量比原來小的多的高密恒星。 恒星爆發(fā)大量拋射物質(zhì)的階段，流體力學平穩(wěn)已不再成立。理論計算很困難，所以到現(xiàn)在還沒有得出令人滿意的定量結(jié)果。,現(xiàn)代恒星的起源和演化研究表明，白矮星、中子星、黑洞，是恒星演化的最后階段，具體演化成這三種形態(tài)的哪一類，要取決于恒星的質(zhì)量。 恒星在核能耗盡后，如果它的質(zhì)量小于1.44 M（錢德拉塞卡極限），就將成為白矮星；如果它的質(zhì)量在1.442 M之間，就會成為中子星，如果質(zhì)量超過2 M（奧本海默極限），就會演化成黑洞。,中子星，白矮星都是靠冷卻而發(fā)光，不再燃燒。中子星的溫度比白矮星高，能量消耗較快，壽命只有幾億年，而白矮星的壽命可達十幾億年，當熱能消耗完后，白矮星、中子星都將演化成不發(fā)光的黑矮星，黑矮星已不再是恒星，而只是恒星的殘骸。恒星的一生到了黑矮星就結(jié)束了。但黑矮星仍是一個天體，這種天體將進一步演化，有的轉(zhuǎn)化為彌漫物質(zhì)，以后彌漫物又集為恒星；有的相互結(jié)合成較大的天體，重新活動起來；還有可能，黑矮星吸積周圍的星際彌漫物質(zhì)，發(fā)出輻射和引力輻射，當吸積的物質(zhì)足夠多時，出現(xiàn)使內(nèi)部發(fā)生重核裂變的條件，使熄滅了的天體重新起來，重新發(fā)光。以上的可能性究竟如何，還有待于進一步研究。,人類對恒星誕生、發(fā)展和死亡的一生演化可以說已基本掌握，右圖是恒星一生的演化途徑通俗的表示。但由于問題復(fù)雜、資料不夠完備以及理論過于簡單化，還有很多不足之處，尤其對恒星的極早期和最終期了解得還不充分。,（二）太陽系的起源,太陽系的主要觀測特征：,同向性；所有大的行星都繞同一個方向運動，太陽本身也繞同一個方向自轉(zhuǎn)； 共面性；所有的大行星都在黃道附近運動，除了冥王星的公轉(zhuǎn)軌道傾角稍大以外，其它的傾角都在幾度以內(nèi)； 近圓形；大行星的偏心率（除冥王星和水星稍大以外）都很小，一般e0.1,軌道近乎為圓形； 行星的分布滿足提丟斯-波得定則，即an=0.4+0.3x2n-2AU.,5. 太陽系角動量的特殊分布：對于偏心率為e，半徑為a的公轉(zhuǎn)的行星，其角動量J可以表示為：,式中M為太陽質(zhì)量、m為行星質(zhì)量，為公轉(zhuǎn)的角速度。實際上，行星和太陽是在繞著它們的共同的質(zhì)心轉(zhuǎn)動，不難算出行星和太陽繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的角動量。,行星角動量,太陽角動量,類似的，行星和衛(wèi)星也繞著它們的共同質(zhì)心轉(zhuǎn)動，也可以用這種類似的計算公式分別計算它們的角動量。,6. 等周期律：行星的自轉(zhuǎn)周期相差不大，一般為幾小時到一天左右（只有水星和金星的自轉(zhuǎn)周期較長些），這叫“等周期律”。大多數(shù)行星的自轉(zhuǎn)方向是相同的。 7. 行星分類：行星明顯分為“類地”和“類木”兩類行星。前者密度大、體積小、后者恰好相反。在結(jié)構(gòu)和化學組成上，這兩類行星也有很多差異。 8. 衛(wèi)星系統(tǒng)：太陽系中質(zhì)量大和體積大的行星具有許多衛(wèi)星。質(zhì)量小的行星則衛(wèi)星很少，甚至有的沒有衛(wèi)星。大行星和衛(wèi)星按系統(tǒng)組成類似“小太陽系”的結(jié)構(gòu)，也符合波得分布。 9. 小行星的特征：在火木之間有幾十萬顆小行星，其總質(zhì)量只有地球的萬分之四。它們的偏心率都很大。根據(jù)波得定則這里應(yīng)該有一個大行星分布，但只知道了數(shù)以萬計的小行星。,10. 彗星的特性：太陽系中有奇怪的彗星，偏心率大。短周期的彗星大多順行，長周期和非周期的彗星則是順行和逆行都有。 11. 太陽系空間分布著大大小小的流星體。行星際中間不滿則為碩星（星際陳），以及太陽輻射出來的各種等離子體。還有扇形結(jié)構(gòu)的行星際螺旋磁場。 12. 年齡：從地殼巖石蛻變，得出地球年齡約為45億年。從月球巖石分析也得出年齡為46億年左右。從碩士的放射分析，認為碩石頭是45億年前形成的。從月球核碩星的放射同位素含量研究得出年齡在50-58億年。總之，根據(jù)各種分析可以得出整個太陽系的年齡約為50億年，而行星、衛(wèi)星、碩星等，距今大約46億年左右已形成了。 13. 太陽系是穩(wěn)定的。從天體力學理論得出，我們的太陽系是穩(wěn)定的，沒有什么巨大的變化，行星軌道在20億年