高老師通識課宇宙篇恒星的起源與演化

1、第三節(jié) 恒星的起源與演化。 1夏季東南方高空夏季大三角2迢迢牽牛星/皎皎河漢女/纖纖擢素手/札札弄機(jī)杼/終日不成章/泣涕零如雨/河漢清且淺/相去復(fù)幾許？/盈盈一水間/脈脈不得語/3夏季東南方高空夏季大三角456第三章 恒 星 恒星是指由內(nèi)部能源產(chǎn)生輻射而自己發(fā)光的大質(zhì)量球狀天體。恒星離我們非常遙遠(yuǎn)，除太陽外，離我們最近的恒星是半人馬座比鄰星，距離約為41013 千米恒星由于離我們太遠(yuǎn)，不借助于特殊工具和方法，很難發(fā)現(xiàn)它們在天上的位置變化，因此古代人把它們認(rèn)為是固定不動(dòng)的星體。7由熾熱的氣體組成的、自身會發(fā)光發(fā)熱的球狀或類球狀天體稱為恒星恒星的大小相差懸殊 有比太陽直徑大數(shù)百倍甚至一二千倍的恒星

2、，也有直徑僅為太陽的幾十分之一甚至更小的恒星，如白矮星。恒星的密度差別很大，太陽的平均密度是水的1.409倍，主序星的平均密度是太陽的10倍到1/10左右，紅超巨星的平均密度比水小100萬倍，而中子星的密度高達(dá)水的萬億倍至百萬億倍。恒星的特征8 亮度（brightness）: 指地球上的受光強(qiáng)度。 視亮度：肉眼所見的恒星的明暗程度。 光源的視亮度與其距離的平方成反比 距離增加1倍，亮度便減為1/4光度：表示恒星本身的發(fā)光本領(lǐng)。它是恒星每秒鐘向四面八方發(fā)射的總能量。恒星的質(zhì)量是很重要的一個(gè)參量，但是除太陽外，目前只能對某些雙星進(jìn)行直接測定，其他恒星的質(zhì)量都是間接得到的，93.1 恒星的起源-之星

3、云說 星際物質(zhì)恒星之間具有廣闊的空間。恒星際空間不是一無所有的真空，而是充滿了形形色色的物質(zhì)。這些物質(zhì)包括星際氣體、塵埃、粒子流、宇宙線和星際磁場等，統(tǒng)稱為星際物質(zhì)。這些星際物質(zhì)的分布是不均勻的。有的地方氣體和塵埃比較密集，形成各種各樣的云霧狀天體。銀河系中的氣體塵埃密集的云霧天體，稱為星云。星云又分成星團(tuán)、星系和星云三種類型。10不規(guī)則星系漩渦星系橢圓星系11行星狀星云M57星系團(tuán)Abell 2218距地球130億光年的星系（左邊長型圈中）在M16天鷹座大星云1217世紀(jì)，牛頓就提出了散布于空間中的彌漫物質(zhì)-氣體和塵埃組成的巨大分子云可以在引力作用下凝聚為太陽和恒星的設(shè)想。 1755年，康德

4、首先提出太陽系起源星云說：太陽系是由一團(tuán)星云演變來的，“天體在吸引力最強(qiáng)的地方開始形成”，引力使微粒相互接近，大微粒吸引小微粒形成較大的團(tuán)塊，團(tuán)塊越來越大，引力最強(qiáng)的中心部分吸引的微粒最多，首先形成太陽。拉普拉斯提出宇宙系統(tǒng)論。在這部書中，他獨(dú)立于康德，提出了第一個(gè)科學(xué)的太陽系起源理論-星云說。人們常常把他們兩人的星云說稱為“康德-拉普拉斯星云說” 3.1 恒星的起源-之星云說 13 恒星是由低密度的星云碎片凝聚而成的。星云碎片由于自身的引力而收縮。在收縮過程中內(nèi)部溫度升高，質(zhì)量小的云團(tuán)形成單個(gè)恒星，質(zhì)量大的云團(tuán)形成了恒星集團(tuán)。而大恒星與小恒星的命運(yùn)是不同的。 3.1 恒星的起源-之星云說 1

5、4經(jīng)過天文學(xué)家的努力，這一設(shè)想已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)相當(dāng)成熟的理論。3.1 恒星的起源-之星云說 15哈勃望遠(yuǎn)鏡展示的精美炫麗的星云恒星的誕生 在浩瀚的宇宙中由大量氣體和塵埃微粒組成的星云絢麗多彩，很多是孕育新生恒星的“溫床”。 16 圖17-22所示是哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的鷹狀星云中心區(qū)域的照片。奇形怪狀的星云像柱子一樣高高聳立著，星云中正在發(fā)光的部分，被認(rèn)為是剛剛誕生的恒星集團(tuán)。暗星云在這些恒星的照射下，將向四處噴散，然后逐漸被蒸發(fā)掉。173.1 恒星的起源-之超密說 強(qiáng)調(diào)可見宇宙大爆炸過程中拋射出許多超高密度的物質(zhì)塊，每個(gè)塊形成一個(gè)星系。超密塊爆發(fā)從核心再向四周演化，星系核心為殘留的超密塊，因此

6、爆發(fā)作用尚未止熄。天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)銀核是一個(gè)強(qiáng)射電源區(qū)（強(qiáng)烈輻射射電波、紅外波、射線波等），對本假說是有力支持。18恒星的演化和 其質(zhì)量和密度有何種關(guān)系？光度與溫度也是恒星的可觀測的特征量。恒星的顏色與光譜，顏色的不同是因?yàn)楹阈堑墓庾V不同。恒星光譜顯示的是恒星表面和大氣的情況，同時(shí)也和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過恒星光譜和光度（亮度）可以確定恒星的化學(xué)組成（發(fā)光物質(zhì)）、溫度、大小、質(zhì)量、密度、距離、運(yùn)動(dòng)方向和自轉(zhuǎn)等許多信息，被稱為“無聲的語言”。恒星的特征與其演化關(guān)系193.2 恒星的演化- 赫羅圖 1913年美國天文學(xué)家赫茨普龍、羅素各自獨(dú)立繪出亮星的光度溫度圖，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)恒星分布在圖中左上方至右下方的

7、一條狹長帶內(nèi)，從高溫到低溫的恒星形成一個(gè)明顯的序列，稱為“主星序”。為了紀(jì)念兩位科學(xué)家作出的貢獻(xiàn)，人們稱這種圖為赫羅圖(HR-diagram)。 該圖顯示出恒星的光度和表面溫度隨時(shí)間變化的情形。絕對星等是光度的一種量度，絕對星等越小，光度越大20主序星的特點(diǎn)是表面溫度的恒星其光度也大，表面溫度低的恒星其光度也小。太陽是一顆主序星，其表面溫度6000K（G2型），坐落在對角線中部，是處于壯年期的恒星。 在赫羅圖的左下方，有一些恒星聚集，這些恒星表面熾熱，但光度很小，稱為白矮星。在赫羅圖的右上方，也有一個(gè)恒星較密集的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域是一些溫度低但光度大的恒星，稱為紅巨星或超紅巨星。 3.2 恒星的演

8、化- 赫羅圖21根據(jù)赫羅圖提出一系列假說。英國天文學(xué)家洛基爾在十九世紀(jì)八十年代，根據(jù)赫羅圖提出恒星以紅巨星為生命起點(diǎn)，以紅矮星作為演化終端的演化假說-沿主星序演化 。1926年之后發(fā)展起來的恒星結(jié)構(gòu)學(xué)說，1938年建立的恒星能源的熱核反應(yīng)理論，都表明沿主星序演化的概念不對。3.2 恒星的演化- 赫羅圖221926年50年代，英國天文學(xué)家，A埃丁頓和R阿特金森，后來的佛萊德霍伊爾，威廉福勒和伯比奇夫婦提出恒星內(nèi)熱的觀點(diǎn)：恒星質(zhì)量巨大，向內(nèi)的引力也超大。恒星內(nèi)部一定非常熱-必須有一個(gè)相等向外的內(nèi)部力與引力相平衡。恒星沒有很快向坍縮的原因在于向內(nèi)的引力被恒星內(nèi)部壓縮氣體產(chǎn)生的向外的巨大壓力所平衡了。

9、抗拒恒星引力坍縮的力3.3 恒星的演化-內(nèi)熱說 231. 恒星演化的基本原理 恒星在一生的演化中總是試圖處于穩(wěn)定狀態(tài)（流體靜力學(xué)平衡和熱平衡）。當(dāng)恒星無法產(chǎn)生足夠多的能量時(shí)，它們就無法維持熱平衡和流體靜力學(xué)平衡，于是開始演化。 恒星的一生就是一部和引力斗爭的歷史！24原始恒星階段 快收縮時(shí)期：一般幾百萬年，似星非星、似云非云，輻射紅外線。溫度20003000攝氏度。 慢收縮時(shí)期：類似于太陽的恒星約7500萬年。由于內(nèi)部壓力的產(chǎn)生而導(dǎo)致收縮減緩，當(dāng)中心溫度達(dá)到700萬度以上時(shí)，引發(fā)氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻?yīng)，此時(shí)恒星發(fā)出耀眼的光，恒星“嬰兒”就誕生了。 原始恒星階段，星體始終處于收縮狀態(tài)。這一過程經(jīng)歷了

10、兩個(gè)時(shí)期：3.4 恒星的演化核反應(yīng) 25原恒星形成示意星云在引力作用下收縮星云碎裂繼續(xù)收縮為原恒星開始核反應(yīng) 進(jìn)入主序階段26如果原恒星中心核的密度和溫度爬升到足夠高的水平（1000萬），將能使得兩個(gè)氫原子核相碰撞的力量大到產(chǎn)生核反應(yīng)，核聚變是恒星核反應(yīng)的主要方式。在恒星中心，首先發(fā)生核反應(yīng)的是氫核（1H，質(zhì)子）和氘核（2D），稱為P-P反應(yīng)， 相當(dāng)于41H4He+26.20MeV。 核聚變放出能量的多少取決于核變前后質(zhì)量虧損-核變前原子核質(zhì)量與核變后原子核質(zhì)量的差。由Einstein 的質(zhì)能關(guān)系式： E =mc2= 4m(1H) m(4He)c2 = 26.73 MeV。3.4 恒星的演化核

11、反應(yīng) 27恒星的發(fā)光機(jī)制核聚變放出能量的多少取決于核變前后質(zhì)量虧損，即核變前原子核質(zhì)量與核變后原子核質(zhì)量的差。由于氦原子核的質(zhì)量與形成氦核的四個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量之間有微小的差別，這部分質(zhì)量就轉(zhuǎn)化成能量釋放出來。3.4 恒星的演化核反應(yīng) 28 以太陽為例，太陽的能量來源于其核心部分，太陽的核心溫度高達(dá)1500萬K，壓力相當(dāng)于2500億個(gè)大氣壓。在這里發(fā)生著核聚變，每秒鐘有七億噸的氫被轉(zhuǎn)化成氦，相當(dāng)于每秒鐘有數(shù)百萬個(gè)氫彈爆炸，約有五百萬噸的凈能量被釋放（大概相當(dāng)于38600億億兆焦耳，3.86后面26個(gè)0）。聚變產(chǎn)生的能量通過對流和輻射過程向外傳送。核心產(chǎn)生的能量需要通過幾百萬年才能到達(dá)表面。3.4 恒

12、星的演化核反應(yīng) 29 在恒星的大半生中， P-P反應(yīng)-氫聚變成氦是為恒星提供能源的主要反應(yīng)，聚變能可以使恒星維持幾十億年，這就是主序星，主序星是恒星青壯年期，進(jìn)入了相對穩(wěn)定的漫長演化時(shí)期。目前銀河系中90的恒星都屬此演化階段。氫核燃料會越來越少，從而使恒星反應(yīng)堆開始萎縮，當(dāng)恒星耗盡其氫燃料的供應(yīng)時(shí)，則平衡消失，引力不受阻地使恒星坍縮。3.4 恒星的演化核反應(yīng) 30主序星 當(dāng)恒星中心溫度達(dá)到700萬度以上時(shí)，開始核聚變反應(yīng)，恒星停止收縮，形成了正常的恒星，進(jìn)入了主序星階段。主序星階段占恒星一生壽命的90%，是恒星最穩(wěn)定的階段，類似于人類的中年時(shí)期。 31坍縮過程中恒星核變熱，形成足夠高的溫度，一

13、棵大質(zhì)量恒星可以產(chǎn)生必要的內(nèi)部溫度-可達(dá)10億度以上，而啟動(dòng)了氦聚變，氦核可以聚變成碳，并通過進(jìn)一步的聚變生成氧、氖以及其他一些元素。氦聚變因?yàn)闇囟瘸?，恒星體積變得十分巨大，變成了龐大的巨星，龐大的恒星表面會把熱量輻射出去。但恒星的表面溫度卻涼下來，恒星呈現(xiàn)紅色。這時(shí)天文學(xué)家稱之為紅超巨星-氦核聚變成碳。氦核聚變會穩(wěn)定地進(jìn)行10億年之久。3.4 恒星的演化核反應(yīng) 32紅巨星（10M太以下） 中小恒星 隨著核聚變的進(jìn)行，恒星中心的氦核越來越大，氦核周圍的氫越來越少，當(dāng)氦核質(zhì)量占到恒星質(zhì)量的12%時(shí)，恒星結(jié)構(gòu)出現(xiàn)重大變化，氦核會坍縮并升溫。氦核收縮，而恒星外層膨脹，體積急劇增大，表面溫度降低。當(dāng)

14、中心溫度達(dá)到攝氏一千萬度時(shí)，將引發(fā)又一輪的核聚變。氦原子核聚變成碳和氧原子核。聚變發(fā)生后產(chǎn)生的輻射壓將使恒星暫時(shí)停止坍縮，處于暫時(shí)的平穩(wěn)狀態(tài)。這時(shí)的恒星叫做“紅巨星”。 33SNKJ_獵戶紅巨星34紅巨星氦核聚變的原子產(chǎn)物包括碳、氮和氧在氦燃料貯藏耗盡后將會變成新的恒星燃料。然后再由氦聚變?yōu)樘肌⒌脱蹙圩?，產(chǎn)生越來越重的元素。每個(gè)后繼階段都需要比前一階段甚至更高的恒星核心溫度，每個(gè)后繼階段所存在的時(shí)間就越來越短。鐵的能量是所有元素中最小的，既不會聚變也不會裂變。核聚變聚變到鐵-鐵星的時(shí)候，核能量就釋放完了，恒星核的核反應(yīng)過程隨即終止。它的末日便來臨了。恒星中心區(qū)一旦不能再產(chǎn)生熱能，恒星將跌進(jìn)它

15、自己的引力深淵之中，在引力作用下劇烈壓縮，甚至把原子都碾得粉碎。結(jié)果 恒星核區(qū)，鐵星核溫度高達(dá)約數(shù)10億度，密度要比水大10億倍。所有物質(zhì)集中在約1000千米直徑的體積之內(nèi)，3.4 恒星的演化核反應(yīng) 35超 巨 星（10M太以上） 恒星的質(zhì)量超過太陽的十倍以上，在經(jīng)歷氦燃燒的階段后，由于它的星核質(zhì)量大，所以它的溫度和壓力也更大，因此將轉(zhuǎn)入又一輪的聚變反應(yīng)中：由碳聚變成氖和鎂。然后又是硅和硫。恒星像一個(gè)巨大的洋蔥頭那樣一層層地進(jìn)行著熱核反應(yīng)，直至核心溫度達(dá)到約攝氏二十八億度，硅聚變成最終產(chǎn)物鐵。36恒星進(jìn)入演化的老年期。恒星以數(shù)以萬億噸計(jì)的物質(zhì)以每秒幾萬公里的速度向內(nèi)暴縮，與反彈著的比金剛石更堅(jiān)

16、硬的致密恒星核區(qū)相遭遇，發(fā)生極為強(qiáng)烈的碰撞，導(dǎo)致恒星外殼發(fā)生爆炸，光度瞬間劇增萬倍至上億倍，幾天內(nèi)恒星增亮至太陽光的100億倍，這就是所謂的超新星。3.5 恒星的晚年演化超新星37原有的恒星頃刻塌縮為體積小而密度極高的致密星（恒星的殘骸）和爆發(fā)出去的星云物質(zhì)，完成了銀河系內(nèi)空間物質(zhì)-能量交換過程的一次循環(huán)。恒星演化最后階段的致密星包括白矮星（黑矮星）、中子星和黑洞三種不同類型的歸宿，它們的形成與母體恒星的質(zhì)量大小有關(guān)。3.5 恒星的晚年演化383.5 恒星的晚年演化39質(zhì)量中等的恒星（小于1.4個(gè)太陽質(zhì)量）經(jīng)歷超新星爆發(fā)后，恒星殘骸的密度達(dá)到1.75105g/cm3（相當(dāng)太陽密度的12.5萬倍

17、，由異常致密的原子核和電子組成），表面溫度升高至8000K，發(fā)出白光，稱為白矮星。白矮星靠輻射熱量發(fā)光，可有幾十億年壽命，最終熱能耗盡，不再輻射可見光，稱為黑矮星。質(zhì)量更大的恒星經(jīng)歷超新星爆發(fā)后殘存的質(zhì)量如達(dá)到太陽質(zhì)量的1.52倍，在暴縮情況下形成快速自轉(zhuǎn)的中子星。直徑一般僅10 km，但密度達(dá)10141015g/cm3，主要由異常致密的中子組成，中子星壽命小于10億年。3.5 恒星的晚年演化40耗盡能量后就變成黑矮星原恒星超新星中子星黑洞黑矮星巨星或超巨星恒星的燃料消耗殆盡時(shí)，它就會膨脹變成巨星或超巨星巨星或超巨星可能爆炸成為超新星遺留物會變成中子星質(zhì)量最大的恒星遺留物會形成黑洞，即使光也無

18、法從黑洞中逃逸出來白矮星小型和中等恒星會變成紅巨星，而后又會變成白矮星恒星的壽命取決于它的質(zhì)量星云的氣體和塵埃一旦緊縮成一顆原恒星時(shí).一顆恒星就誕生了恒星的演化過程示意圖4150億年后太陽也將變成紅巨星，其直徑將擴(kuò)展為現(xiàn)在的250倍。在擴(kuò)張過程中，它的輻射熱量將使地球上的任何生物都無法生存。屆時(shí)地球上如果還有智慧生命存在，尋求可持續(xù)發(fā)展的唯一出路只能是，向太陽系以外的類地行星中去尋覓和重建家園。太陽42中子星中子星是由中子組成的超密度恒星。它的直徑只有10千米左右，其密度特別大，1億噸/cm3以上。中子星是1967年在狐貍座內(nèi)發(fā)現(xiàn)的，由于它周期性地發(fā)出脈沖，又叫脈沖星. 43恒星的演化- 赫羅圖4421世紀(jì)宇宙學(xué)面臨的問題一、黑洞與類星體1、搜尋黑洞黑洞是什么？廣義相對論作出了正確的解釋：黑洞是引力坍縮的結(jié)果。黑洞有一個(gè)邊界，稱為“視界”。任何物體包括光一旦落入視界之內(nèi)，就再也不能逃出視界。我們無法獲取來自于黑洞的任何信息。45黑 洞