天文知識(shí)普及講座2

天文知識(shí)普及

第二講恒星世界恒星世界星星究竟是什么大部分是恒星，能夠自身發(fā)光發(fā)亮；少數(shù)是行星，反射太陽(yáng)光。如何度量星星之間的距離？光年：1光年＝9.46萬(wàn)億千米秒差距：1秒差距＝3.26光年亮度——星等視星等公元前2世紀(jì)古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯首先提出星等概念，他把看到的恒星按亮度分成6等，最亮的1等，最暗的6等。1等星的亮度＝距離1公里遠(yuǎn)的1燭光的亮度更精確的星等

1850年英國(guó)天文學(xué)家普（N.R.Pogson)經(jīng)過(guò)研究并用儀器精密測(cè)定，把星等概念科學(xué)定量化：星等相差5等，亮度差為100，即星等差1等，亮度之比為2.512倍。為了精確，又引入了小數(shù)星等和負(fù)數(shù)星等。如天狼星是-1.4等，織女星是0.0等，軒轅十四是1.4等。肉眼可見(jiàn)的6等以上恒星全天約為6000顆。星體目視星等絕對(duì)星等太陽(yáng)-26.74.8月球-13不適用（滿月）金星-4.6不適用（最亮?xí)r）天狼星-1.451.43（全天最亮恒星）織女星0.030.5牛郎星0.772.19隨著距離增加，相同面積上接收到的能量在減少絕對(duì)星等-光度恒星的照度與距離平方成反比:

E1/E2=(r2/r1)2

把天體都放到10秒差距(32.6光年)處，其目視星等叫做絕對(duì)星等;

把一顆恒星放在不同距離上，其視星等不同

m1(r1)-m2(r2)=2.5×lg(E2/E1)r1=10秒差距；m1=M；r2

和m2為恒星實(shí)際值

M＝m＋5－5lgr

M＝m＋5－5lgrM絕對(duì)星等，m視星等，r距離

天狼星的視星等是-1.45等,距離為2.7秒差距，絕對(duì)星等＋1.5等太陽(yáng)離我們最近，光輝奪目,它的目視星等達(dá)到-26.7等,絕對(duì)星等才只有＋4.83等.視星等和絕對(duì)星等的關(guān)系變星、新星、超新星大多數(shù)恒星的光度是穩(wěn)定的，有些恒星的光度在短時(shí)期內(nèi)會(huì)發(fā)生明顯的、特別是周期性的變化。這樣的恒星稱變星。變星可分為：食變星、脈動(dòng)變星、爆發(fā)變星。

脈動(dòng)變星和爆發(fā)變星又叫物理變星。它們的亮度變化是由于恒星內(nèi)部或其大氣物理狀況所致。

食變星：其亮度變化是由于雙星相互繞轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生交食現(xiàn)象而引起的，即前面說(shuō)的食雙星。（英仙座β（大陵五）魔星）

脈動(dòng)變星：恒星體積發(fā)生周期性膨脹和收縮而引起光度的變化，膨脹時(shí)光度變大；收縮時(shí)光度變小。

爆發(fā)變星：星體爆發(fā)現(xiàn)象而引起光度變化。新星：爆發(fā)變星中，亮度在很短時(shí)間內(nèi)（幾小時(shí)或幾天）突然劇增，然后減弱的恒星。（光度可增加9個(gè)等級(jí)）超新星：爆發(fā)規(guī)模特別大的變星。光度變幅超過(guò)17個(gè)等級(jí)。即亮度可增強(qiáng)到原來(lái)的幾千萬(wàn)倍甚至近萬(wàn)萬(wàn)倍。（蟹狀星云）

恒星的運(yùn)動(dòng)恒星的自行：恒星的空間速度可分兩個(gè)分量：視向速度和切向速度。前者是沿觀測(cè)者的視線的分量（離觀測(cè)者遠(yuǎn)去為正，接近為負(fù)）；后者是同視向速度相垂直的分量，它表現(xiàn)為恒星在天球上的位移，叫做自行。（北斗星的形狀變化）

恒星的顏色溫度高偏藍(lán)，溫度低偏紅韋恩定律黑體輻射譜中，產(chǎn)生最大輻射量的波長(zhǎng)和黑體溫度的乘積為一常數(shù)λmax=0.29/T（cm）同一天體的不同波段的輻射來(lái)自不同（溫度）的區(qū)域和物理過(guò)程。例1:不同波段的太陽(yáng)影像光學(xué)紫外X射線射電例2:M81光學(xué)中紅外遠(yuǎn)紅外

X射線紫外射電史提芬—波爾茲曼定律

物體發(fā)射電磁波強(qiáng)度大小，與物體的表面溫度高低有關(guān)。恒星溫度越高，能量釋放越快，壽命越短。

赫羅圖（HR-diagram）恒星的多樣性光譜型：O、B、A、F、G、K、M光度級(jí)：超巨星、亮巨星、巨星、亞巨星、主序星（或矮星）、亞矮星、白矮星恒星的質(zhì)量：0.05～150Msun恒星的直徑：10-3～103Rsun光譜類型顏色平均溫度（開(kāi)氏溫度）熟悉的示例O藍(lán)-紫30,000參宿三（deltaOrionis）B藍(lán)-白20,000參宿七、角宿一A白色10,000織女星、天狼星F黃-白8,000老人星、南河三G黃色6,000太陽(yáng)、五車(chē)二K橙色4,000大角星、畢宿五M紅-橙3,000心宿二、參宿四恒星的光譜類型根據(jù)發(fā)光度對(duì)恒星進(jìn)行分類等級(jí)說(shuō)明熟悉的示例Ia明亮的超巨星參宿七、參宿四Ib超巨星北極星、心宿二II明亮的巨星參宿三（deltaOrionis）III巨星大角星、五車(chē)二IV亞巨星牽牛星、Achenrar（南半天球的一顆恒星）V主序太陽(yáng)、天狼星未分級(jí)白矮星天狼伴星、南河三伴星主序星的質(zhì)量與光度關(guān)系Lstar/Lsun

=

(Mstar/Msun)3.5

主序星的生命期tstar/tsun

=

1/(Mstar/Msun)2.5

恒星的演化恆星的演化(StellarEvolution)●太空中的氣體與塵埃受萬(wàn)有引力作用聚集，因重力收縮使其溫度和密度逐漸上昇，當(dāng)中心溫度高到足以點(diǎn)燃核融合反應(yīng)時(shí)，恆星乃告誕生●它生命中大部分的歲月是將氫融合成氦，釋出大量熱能，使向外膨脹的熱壓力抵消重力，成為一顆穩(wěn)定的恆星●到了靠中心的氫耗盡後，氫融合逐漸移至外層發(fā)生，使恆星突然膨脹，表溫下降成為紅巨星●後來(lái)星體再次因收縮溫度升高使核心進(jìn)行氦融合成碳的核反應(yīng)，質(zhì)量與太陽(yáng)相近或較小的恆星，在中心的氦耗盡後就不能再產(chǎn)生能量，僅輻射儲(chǔ)存之熱能，溫度逐漸冷卻而成白矮星●比太陽(yáng)重得多的恆星，繼續(xù)進(jìn)行核反應(yīng)至中心融合成鐵才停止，由於重力太大又無(wú)法再產(chǎn)生核能，恆星乃急速收縮，此時(shí)部分能量會(huì)反彈將外層炸掉，爆炸時(shí)光度劇增，成為極亮的超新星，爆炸後之中心殘骸繼續(xù)崩潰收縮形成中子星●而質(zhì)量更重的恆星在形成中子星後仍繼續(xù)收縮，因大量物質(zhì)集中，重力強(qiáng)至連光都無(wú)法逸出，形成黑洞

→而被炸散的物質(zhì)回到星際空間的雲(yún)氣中，成為下一代星球形成的原料物質(zhì)。

恒星的一生

熱力與重力的抗?fàn)幖t巨星的終結(jié)會(huì)因質(zhì)量的不同而有不同的結(jié)果：質(zhì)量為太陽(yáng)三倍以下，會(huì)形成白矮星。

質(zhì)量為太陽(yáng)三倍以上，則形成超新星。

熱力與重力的抗?fàn)幖t巨星乃恒星的老年?duì)顟B(tài)，恒星內(nèi)部的核融合將氫結(jié)合成氦、氦合成碳、碳合成氧...…直至產(chǎn)生鐵后，便不能再進(jìn)行核融合。核融合變少，恒星溫度下降，使恒星收縮。收縮后，又因收縮產(chǎn)生熱力，恒星再次膨脹。恒星就如此落入重力與熱力的競(jìng)爭(zhēng)中。后期因鐵核增大，膨脹收縮的幅度上升，形成稱為變星的光度脈動(dòng)星體。

白矮星為小質(zhì)量恒星的死亡方式。在紅巨星階段，氣體層散發(fā)后，剩下的散發(fā)淡光的鐵核，這就是白矮星。白矮溫度很高，質(zhì)量也大，一立方厘米約為十個(gè)人的質(zhì)量量，大小如同地球。

白矮星最后會(huì)因能量散失(主要是光)而變?yōu)榘档瓱o(wú)光的黑矮星。超新星的殘骸超新星為大質(zhì)量恒星的死亡方式。恒星因鐵核質(zhì)量過(guò)大，膨脹收縮激烈，鐵核因重力使質(zhì)子與電子結(jié)合，形成中子核和放出微中子。氣體層收縮，引擎核心造成向外的引擎波，氣體層爆發(fā)，造成超新星。

超新星雖是一個(gè)恒星的死亡，但同時(shí)造就很多恒星的誕生。超新星造成的向外引擎波，使氣體云壓縮，形成原始星。大質(zhì)量恒星的壯烈死亡——超新星

中子星是超新星爆炸后遺留的恒星核心，由中子構(gòu)成，密度為水的10~14(10的14次方)倍，僅一立方厘米的質(zhì)量就足有全球人類那么重，大小僅為三十公里。

中子星的兩個(gè)強(qiáng)大磁極，帶動(dòng)四周帶電粒子運(yùn)行，放出電波。亦因自轉(zhuǎn)軸與磁極不平行，電波因而呈圓周放射。地球便接收到一連串脈動(dòng)信號(hào)，因此中子星亦稱為脈沖星。周期很短，最長(zhǎng)為4.3s，最短只有0.0016s,且十分穩(wěn)定脈沖星、中子星

20世紀(jì)60年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種新型變星，它有規(guī)律的發(fā)出射電脈沖訊號(hào)，取名脈沖星。其周期很短，最長(zhǎng)為4.3s，最短只有0.0016s,且十分穩(wěn)定。平均周期0.033s。天體能發(fā)出如此快速穩(wěn)定地發(fā)射脈沖訊號(hào)，唯一的可能是恒星自轉(zhuǎn)。如此瘋狂的自傳，連白矮星那樣致密的天體也會(huì)分崩離析。它只能人們?cè)缫杨A(yù)言的中子星。

中子星由中子組成，是由于恒星演化到晚期，能量耗竭，若經(jīng)引力坍塌，其剩余質(zhì)量大于某一極值時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)都不能抗衡原子核吸引力，繼續(xù)坍塌，形成大量自由電子，致使恒星密度很大，體積很小，形成中子星。

人類——超新星殘骸的組裝品恒星的命名

一般采用星座名稱加上拉丁字母（希臘字母），拉丁字母的順序與星座內(nèi)的恒星亮度相對(duì)應(yīng)。當(dāng)24個(gè)字母用完之后，就用數(shù)字代替字母，通常數(shù)字是按恒星的赤經(jīng)依次排列的。（如：天瓶座α、大熊座β、天鵝座61）恒星集團(tuán)恒星有集群的趨向。最簡(jiǎn)單的恒星系統(tǒng)是兩顆相互繞轉(zhuǎn)的雙星，質(zhì)量大的是主星，質(zhì)量小的是伴星。兩子星之間除引力作用之外，還有更密切的物理聯(lián)系，比如物質(zhì)交換。有兩顆以上恒星組成的恒星集團(tuán)稱為聚星，也成為多合星。當(dāng)在一起繞轉(zhuǎn)的恒星超過(guò)十顆時(shí)稱為星團(tuán)。星團(tuán)成員對(duì)于周?chē)膱?chǎng)星通常有整體的運(yùn)動(dòng)。星團(tuán)分為球狀星團(tuán)和疏散星團(tuán)。疏散星團(tuán)成員星比較少，在十幾到幾百顆之間，外形不規(guī)則，大多分布在銀道附近。球狀星團(tuán)是銀河系中恒星分布最密集的地方，這里恒星分布的平均密度比太陽(yáng)附近恒星分布的密度約大50倍，中心密度則大到1000倍左右。球狀星團(tuán)成員星通常達(dá)幾萬(wàn)到上千萬(wàn)顆，形狀規(guī)則。在業(yè)已發(fā)現(xiàn)的約121個(gè)球狀星團(tuán)中，約有30個(gè)在人馬座中（銀心），其余的分布在銀河系邊緣，圍繞銀心形成形成一個(gè)近乎球狀的暈輪。球狀星團(tuán)的年齡一般要疏散星團(tuán)的年齡大得多。NGC5139isalsoknownasOmegaCentauri,thelargestandbrightestglobularinourskies.銀河系和星系星系是包含了幾億至幾十億顆恒星以及無(wú)數(shù)雙星、聚星、星團(tuán)的龐大恒星系統(tǒng)。太陽(yáng)所在的星系成為銀河系。河外星系按形態(tài)大致分為旋渦星系、棒旋星系、橢圓星系和不規(guī)則星系。銀河系是一個(gè)漩渦星系。星系數(shù)量眾多，形態(tài)各異星系集團(tuán)星系也有結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，其結(jié)團(tuán)的傾向比恒星更為強(qiáng)烈，在已發(fā)現(xiàn)的數(shù)十億個(gè)河外星系中，很少是單獨(dú)存在的。兩個(gè)互相有聯(lián)系的星系成為雙重星系，三五個(gè)或十來(lái)個(gè)在一起運(yùn)動(dòng)的星系稱為多重星系，而10~100個(gè)星系組成的星系集團(tuán)稱為星系群。簡(jiǎn)易觀星指法星系和暗物質(zhì)物體轉(zhuǎn)動(dòng)有多快，取決於它軌道內(nèi)有多少物質(zhì)。如果所有物質(zhì)都看得見(jiàn)，那麼近銀河系邊沿的恆星軌道速度，便按照以上的紅線分佈。不過(guò)，我們發(fā)現(xiàn)恆星移動(dòng)得比預(yù)期的快，根據(jù)開(kāi)普勒定律，當(dāng)中的物質(zhì)必須比我們所看到的更多。額外的物質(zhì)稱為暗物質(zhì)，因?yàn)樗麄儾粫?huì)放出電磁波，揭示它們是以重力的形式存在。1970年代，維拉魯賓和她的同工發(fā)現(xiàn)了這件事。她測(cè)量?jī)A角(inclinationangle)大約為0°的旋渦星系的多普勒頻移，測(cè)定了星系的旋轉(zhuǎn)曲線。紅移和宇宙http:///wiki/Hubble_law維斯特·斯里弗測(cè)量紅移，因此也測(cè)量了星系的徑向速度。哈勃測(cè)量距離、星系。結(jié)合徑向數(shù)據(jù)，他發(fā)現(xiàn)哈勃定律：v=Hd哈勃常數(shù)H最為接受的數(shù)值大約是

70km/s/Mpc.哈勃定律指出，離我們愈遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們的速度愈快。宇宙的膨脹可解釋這事。注意這個(gè)宇宙紅移不是由於多普勒效應(yīng)。星系遠(yuǎn)離我們，是因?yàn)橛钪妫臻g-時(shí)間）本身在擴(kuò)大，而不是因?yàn)樾窍翟谔找苿?dòng)。答：暗物質(zhì)也是物質(zhì)，但不放出或反射電磁輻射，以致不能讓人檢測(cè)。不過(guò)，重力掲示它的存在。暗能量是一個(gè)假設(shè)的真空能量，具有很強(qiáng)的負(fù)面壓力。它加速了空時(shí)的膨漲。暗物質(zhì)和暗能量的成分，我們知到的並不多?？芍苯涌吹降目偰芰棵芏戎挥?％；有22％是暗物質(zhì)、74％