恒星世界課件

恒星世界

夜空閃爍的繁星，都是和太陽(yáng)一樣的天體，唯一的原因就是它們?nèi)季嚯x十分遙遠(yuǎn)。斗轉(zhuǎn)星移，是因?yàn)榈厍虮旧碓谧赞D(zhuǎn)；四季星空的變化，是因?yàn)榈厍蚶@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。一、燦爛的星空古人看不出星空排列圖形的變化，所以稱它們?yōu)椤昂阈恰薄Ｈ绻麜r(shí)間拉到10萬(wàn)年，星空也許就會(huì)面目全非了。

盛夏時(shí)，南天低空處還有一個(gè)著名的星座天蝎座。

中部一顆紅色亮星中名心宿二（天蝎ɑ），又稱大火星?！对?shī)經(jīng)》中所謂“七月流火，九月授衣”，指的是農(nóng)歷七月大火星逐漸“流”向西方，盛夏將盡，九月之前要準(zhǔn)備好過(guò)冬的衣服。

深秋時(shí)節(jié)，牛女西沉，飛馬、仙女大四方形成為星空主角（圖3.1.5）。四方形東北角上的亮星是仙女ɑ（壁宿二），著名的仙女座星系M31就在附近。

冬夜星空中，最為壯麗動(dòng)人的是獵戶座（圖3.1.6；獵戶星座照片）。獵戶腰帶上排成一線的三顆亮星，中名參宿三星。沒(méi)有鐘表的時(shí)代，它是漫長(zhǎng)冬夜里的天然計(jì)時(shí)器。

獵戶右上不遠(yuǎn)處是金牛座，擁有一顆紅色亮星畢宿（金牛ɑ），那是金牛與獵戶斗紅了的眼睛（圖3.1.8）。再往上是著名的昴星團(tuán)，西方叫七姊妹星團(tuán)。好眼力的人可以看到六七顆星密集在一起。這是全天唯一可以用肉眼看見(jiàn)的銀河系疏散星團(tuán)，成員星有120多顆。

天狼星（大犬ɑ）、參宿四與南河三（小犬ɑ）組成的等邊三角形，稱為“冬夜大三角”，是冬夜星空顯著的標(biāo)志

北河三即雙子β，不知為多少古代航海家指引過(guò)航向（圖3.1.13）。獅子β（中名五帝座一）、牧夫ɑ（中名大角）和室女ɑ（中名角宿一）這三顆亮星也組成一個(gè)等邊三角形，是有名的“春夜大三角”。南半天球最著名的星座是南十字座。

銀河系中心方向在人馬座，其中有6顆亮星，中國(guó)古稱“南斗六星”。1995年1月，哈勃望遠(yuǎn)鏡拍到了參宿四的圓面照片，這是人類首次獲得的恒星圓面圖像。二、恒星的亮度天文學(xué)中恒星真亮度的定義是：假設(shè)把它們都放到10個(gè)“秒差距”遠(yuǎn)處來(lái)看的亮度。表示真亮度的星等，叫做絕對(duì)星等?！懊氩罹唷笔翘煳膶W(xué)中常用的距離單位，等于206265倍地球到太陽(yáng)的距離，或大致等于3.26光年。恒星全都十分遙遠(yuǎn)，從那里看地球與太陽(yáng)之間的最大張角，叫做“周年視差角”，簡(jiǎn)稱視差。

離太陽(yáng)最近的半人馬座比鄰星，距離1.31秒差距或4.27光年。

全天空亮于1.5等的恒星共有21顆。太陽(yáng)的視星等一26.74，絕對(duì)星等4.83。如果把太陽(yáng)放到10個(gè)秒差距遠(yuǎn)的地方，它便成為一顆肉眼很難尋覓的小星了。

直接觀測(cè)得到的是視亮度和視星等。真亮度和絕對(duì)星等需要從理論推算得出。測(cè)量視星等的技術(shù)工作叫光度測(cè)量，它是研究恒星最重要、最基本的測(cè)量之一。1960年以后，出現(xiàn)了光電方法：通過(guò)電子設(shè)備讓望遠(yuǎn)鏡得到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，測(cè)量電流的強(qiáng)弱而知道星的亮度。1980年以后，出現(xiàn)了更先進(jìn)的CCD（電荷耦合器件）技術(shù)，使測(cè)量精度和自動(dòng)化程度大幅度提高。三、恒星和光譜

恒星光譜分析技術(shù)的出現(xiàn)不僅使天文學(xué)家得到了恒星化學(xué)組成的知識(shí)，還得到了恒星表面大氣層的溫度、壓力、密度，以及恒星的質(zhì)量、體積、磁場(chǎng)狀況、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、距離和空間運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，甚至包括宇宙的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律及演化的知識(shí)，開(kāi)創(chuàng)了人類研究天體的新紀(jì)元，促進(jìn)了天體物理學(xué)的長(zhǎng)足發(fā)展。

輻射通過(guò)兩種不同介質(zhì)的界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射；頻率不同，折射率便不同。當(dāng)混合光通過(guò)一塊三棱鏡時(shí)，由空氣—玻璃—空氣兩次界面的折射，多種頻率混合在一起的白光就分成了多種顏色的彩帶，按紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的順序，也就是波長(zhǎng)從大到小的順序排列，稱為光譜。牛頓發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)光譜是色彩生動(dòng)而又明亮的連續(xù)光譜。凡是熾熱的固體、液體和處于高壓下熾熱的氣體都會(huì)發(fā)出這種連續(xù)光譜。｝

基爾霍夫通過(guò)以上發(fā)現(xiàn)總結(jié)出著名的定律：每一種化學(xué)元素在高溫狀態(tài)下都能產(chǎn)生輻射而發(fā)出自己的明線光譜；同時(shí)，在低溫狀態(tài)下，它又能吸收這些輻射，而使光譜中的明線變成暗線。他還提出，將復(fù)雜的化合物燃燒成火焰，觀察火焰形成的光譜，就能論證出化合物中含有哪些元素。比較譜線的強(qiáng)度還能確定各元素的含量。這就是后來(lái)廣泛應(yīng)用的光譜分析技術(shù)。

根據(jù)物理學(xué)中的塞曼（P.Zeeman）效應(yīng)，如果光源處在強(qiáng)磁場(chǎng)中，光源發(fā)出的光譜線會(huì)分裂成數(shù)條，裂開(kāi)的寬度與磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)。測(cè)量恒星光譜中的塞曼效應(yīng)，可以得知恒星的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

分光能力更強(qiáng)的設(shè)備是光柵攝譜儀。光柵是一種精密光學(xué)元件。在非常平整光潔的光學(xué)玻璃平板上，刻出許多條間隔相等互相平行的細(xì)線，做成光柵。利用光的干涉和衍射的疊加原理使通過(guò)光柵的混合光分解成光譜。

依物理學(xué)中的做法，將電磁波按波長(zhǎng)或頻率的次序排列起來(lái)，稱為電磁波譜。四、恒星的位置和運(yùn)動(dòng)

恒星的空間位置由三個(gè)坐標(biāo)參數(shù)來(lái)確定，兩個(gè)是天球球面上的經(jīng)緯度：赤經(jīng)和赤緯，另一個(gè)是距離。

3.4.1到離太陽(yáng)最近的半人馬座比鄰星，光也要走4.2年

恒星相對(duì)于太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)也由三個(gè)坐標(biāo)參數(shù)表現(xiàn)出來(lái)。它們是：天球球面上赤經(jīng)和赤緯的變化兩個(gè)參數(shù)，距離的變化一個(gè)參數(shù)。前者稱為自行，后者稱為視向速度。視向速度測(cè)定用的是物理學(xué)方法——多普勃效應(yīng)。恒星輻射的波長(zhǎng)反映在光譜上，某種元素的譜線發(fā)射時(shí)對(duì)應(yīng)于一定的波長(zhǎng)值，這是原子的特性，是不會(huì)改變的。但是地球上的望遠(yuǎn)鏡接收到這種譜線時(shí)，它的波長(zhǎng)會(huì)因恒星的視向運(yùn)動(dòng)速度而改變，有紅移或有紫移。

光譜線有紅移，表明恒星遠(yuǎn)離我們而去；光譜線有紫移，表明恒星靠近我們而來(lái)。五、主星序1.光譜型

光譜是恒星的身份證。

2.赫羅圖——光譜光度圖

丹麥天文學(xué)家赫茨普龍（E.Hertzsprung）和美國(guó)天文學(xué)家羅素（H.N.Russell）各自獨(dú)立地提出了恒星的光譜型與光度之間存在著相關(guān)關(guān)系，并以圖形來(lái)表示，稱為赫羅圖或H-R圖。赫羅圖以光譜型（或溫度）為橫坐標(biāo)，以光度（或絕對(duì)星等）為縱坐標(biāo)，把所有已知光譜型和光度的星點(diǎn)在圖上，每個(gè)點(diǎn)代表一顆星。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，全部星點(diǎn)群集在三個(gè)不同的區(qū)域里（圖3.5.1）

3.主序星

主序星是恒星一生中處于穩(wěn)定階段、停留時(shí)間最長(zhǎng)的恒星。恒星在這個(gè)階段停留的時(shí)間占整個(gè)壽命的90%以上。

主序階段的恒星有的處在溫度和光度都較高的位置（赫羅圖的左上部），有的處在溫度和光度都較低的位置（赫羅圖的右下部），這主要取決于恒星的質(zhì)量。質(zhì)量越大的主序星，光度越高，溫度也越高。主序星的光度大約和質(zhì)量的3.5～4次方成正比，這一規(guī)律稱為“質(zhì)光關(guān)系”（圖3.5.4），它提供了一個(gè)估計(jì)恒星質(zhì)量的重要方法。

太陽(yáng)停留在主序階段的時(shí)間約100億年。

無(wú)論質(zhì)量大小，恒星內(nèi)部由氫核聚變?yōu)楹ず说臒岷朔磻?yīng)是維持主序階段的主要物理標(biāo)志。一旦氫核燃料消耗殆盡，恒星就進(jìn)入晚年，離開(kāi)主星序，由衰老而死亡。六、雙星

1.雙星

雙星是兩顆恒星，像地球和月亮繞著它們的公共質(zhì)心轉(zhuǎn)一樣互相繞著轉(zhuǎn)。據(jù)對(duì)恒星世界的調(diào)查，約有半數(shù)以上的恒星是“成雙成對(duì)”的。

2.食雙星

當(dāng)雙星的軌道面與人們的視線幾乎在一個(gè)平面上時(shí)，人們就會(huì)看到一顆星擋住另一顆星的掩食現(xiàn)象，就像發(fā)生日食那樣，星光會(huì)明顯變暗。這種雙星叫食雙星。

3.分光雙星和密近雙星

用光譜方法發(fā)現(xiàn)的雙星稱為分光雙星。已發(fā)現(xiàn)的分光雙星約有5000多對(duì)。

密近雙星是指兩顆星靠得很近，在相互引力的影響下，有物質(zhì)在其間交流或出現(xiàn)引力變形的雙星（圖3.6.9）.

三顆以上恒星聚在一起的情況稱為聚星，更多的稱為星團(tuán)。七、不穩(wěn)定恒星

有一類恒星不處于這種平衡狀態(tài)，上述各種參數(shù)存在不同程度的變化，變化的形式可能是周期性的脈動(dòng)，不規(guī)則的迸發(fā)或者是巨大的毀滅性的爆炸。這一類恒星稱為不穩(wěn)定恒星。

1.脈動(dòng)變星

脈動(dòng)變星明亮、暗弱的變化周期，叫做光變周期。脈動(dòng)變星有三種主要的類型：長(zhǎng)周期脈動(dòng)變星；造父變星和天琴座RR型變星。

造父變星，地位特別重要，其典型星是仙王座δ星，中文名造父一?！霸旄敢弧钡墓庾冎芷跒?天8小時(shí)46分38秒，像鐘表一樣準(zhǔn)確，亮度變幅1.9倍。２、非徑向脈動(dòng)與特殊變星

3.7.6/3.7.7/3.7.8特殊變星是一類有特殊的強(qiáng)烈變化的恒星。

3.7.9～3.7.19SS433是另一種類型的特殊變星。SS是星表名稱，433是星表中的編號(hào)。SS433是銀河系中的天體，位于天鷹座，目視星等13.5等，距離1萬(wàn)光年。它是一對(duì)密近雙星，主星為藍(lán)色巨星，伴星是中子星或黑洞，相互繞轉(zhuǎn)的周期是164天3、新星

如果在星座當(dāng)中，原來(lái)沒(méi)有恒星的地方，突然冒出一顆恒星，甚至達(dá)到很高的亮度，維持?jǐn)?shù)月或一年，以后又慢慢變暗，最終消失，西方叫“新星”中國(guó)古代稱之為“客星”。八、恒星的能源

恒星有兩個(gè)最重要的特征。第一個(gè)特征是：擁有巨大的質(zhì)量，由質(zhì)量產(chǎn)生的引力使恒星物質(zhì)聚向中心。第二個(gè)特征是：有極其強(qiáng)烈的熱核反應(yīng)，主要是氫原子核聚變?yōu)楹ぴ雍说臒岷朔磻?yīng)。由熱核反應(yīng)產(chǎn)生的壓力，使恒星物質(zhì)向外擴(kuò)散。引力和壓力相平衡，才能使恒星保持穩(wěn)定（圖5.1.1）。

質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)和碳循環(huán)都是氫原子核聚變?yōu)楹ぴ雍朔磻?yīng)，這兩種反應(yīng)都會(huì)在恒星內(nèi)部出現(xiàn)。在太陽(yáng)內(nèi)部，99%的能源來(lái)自質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)，1%的能源來(lái)自碳循環(huán)。

恒星能源機(jī)制問(wèn)題的解決，使人類認(rèn)識(shí)到在原子核內(nèi)部蘊(yùn)藏著巨大的能量，開(kāi)啟了人類開(kāi)發(fā)核能的新紀(jì)元。曼哈頓工程（美國(guó)人秘密研制原子彈的工程）將核能用于制造新式武器，在第二次世界大戰(zhàn)中付諸實(shí)施。核電站的建設(shè)為人類提供了更高效的能源。氫彈的制造，是氫核聚變?yōu)楹ず说臒岷朔磻?yīng)的直接應(yīng)用。九、中微子失蹤懸案中微子概念是瑞士籍奧地利物理學(xué)家泡利（Pauli）1930年提出來(lái)的，另一位意大利物理學(xué)家費(fèi)米（Fermi）為它取的名字。在當(dāng)時(shí)已經(jīng)觀察到的自由中子衰變?yōu)橘|(zhì)子和電子的過(guò)程中，有一部分丟失的能量下落不明。為了挽救能量和動(dòng)量守恒定律，泡利提出，這丟失的能量可能被一種未能檢測(cè)到的、很輕的、不帶電性的粒子帶走，這種粒子就是中微子。它們與其他物質(zhì)幾乎不發(fā)生任何作用，穿透力極強(qiáng)，以近乎光速穿過(guò)遇到的一切物體。

太陽(yáng)中心區(qū)熱核反應(yīng)產(chǎn)生的光子在高溫高密的環(huán)境中自由程很短，經(jīng)無(wú)數(shù)次碰撞、迂回，要經(jīng)歷1000萬(wàn)年才能到達(dá)太陽(yáng)表面。在地球上人們接受到的太陽(yáng)光子，僅需8分鐘就由太陽(yáng)表面?zhèn)鞯搅说厍?，但這些光子從太陽(yáng)中心產(chǎn)生出來(lái)的時(shí)間是1000萬(wàn)年以前。唯有中微子，是8分多鐘以前剛剛從太陽(yáng)中心產(chǎn)出的，唯有它們攜帶著太陽(yáng)中心區(qū)的最新信息來(lái)到人們身邊。如果人們有辦法連續(xù)觀察這些中微子，一旦發(fā)現(xiàn)中微子數(shù)目銳減或停止傳送上，表明光子持續(xù)供應(yīng)的時(shí)間還能延續(xù)1000萬(wàn)年，起到了預(yù)警的作用。地球上每一個(gè)人體每秒鐘都有1萬(wàn)億個(gè)太陽(yáng)中微子穿過(guò)，白天從頭頂貫穿到腳下，晚上又從腳下貫穿過(guò)頭頂，而人們卻毫無(wú)知覺(jué)?？茖W(xué)家現(xiàn)在還沒(méi)有能力截獲中微子攜帶的任何信息。

1987年2月23日，當(dāng)大麥哲倫云中的超新星SN1987A爆發(fā)的時(shí)候，日本神岡、美國(guó)俄亥俄、意大利和前蘇聯(lián)的4個(gè)中微子探測(cè)器共記錄到24個(gè)來(lái)自17萬(wàn)光年以外的中微子，他們是從南極穿過(guò)地球來(lái)到這些探測(cè)器的，到達(dá)時(shí)間早于光學(xué)波段信號(hào)22小時(shí)。這是人類首次探察到超新星爆發(fā)過(guò)程中釋放出來(lái)的中微子。

中微子失蹤懸案終于破解，天文學(xué)家建立的太陽(yáng)模型和物理學(xué)家關(guān)于中微子的理論都是正確的。2002年，中微子探測(cè)的開(kāi)拓者，美國(guó)戴維斯和日本小柴昌俊獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

神奇的中微子，無(wú)論在實(shí)驗(yàn)室里還是在太空中，人類都已觀察到它的蹤跡。在對(duì)核子理論和恒星能源機(jī)制問(wèn)題的研究中，中微子都擔(dān)負(fù)著重要的角色。小小的中微子，還在決定宇宙前途命運(yùn)的關(guān)鍵問(wèn)題中起著舉足輕重的作用。十、星云孕育恒星

當(dāng)代物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙之中一共有4種力：強(qiáng)力、弱力、電磁力和引力。

強(qiáng)力和弱力只發(fā)生于微觀的基本粒子之間，它們只有在比原子的尺度更小的范圍內(nèi)才起作用。

電磁力和引力不受距離的限制，但其強(qiáng)度和距離的平方成反比。強(qiáng)力是最強(qiáng)大的力。

天體與天體之間的引力，決定著它們的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)；天體內(nèi)部各個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的引力，決定著它們自身的生死存亡。

5.3.1恒星起源于星云。星云起源于星際物質(zhì)。星際物質(zhì)主要是氫、氦氣體的分子和離子，以及塵埃微粒。氫、氦是宇宙“大爆炸”初始時(shí)期布滿整個(gè)宇宙的原初物質(zhì)。

5.3.2獵戶座大星云M42是銀河系中有名的恒星孵化場(chǎng)，那里正在成批的生育著許多新恒星。

在遙遠(yuǎn)的河外星系中也觀測(cè)到一些恒星誕生于星云的場(chǎng)景。在大麥云中就有好幾處。Hodge301是蜘蛛星云中的恒星孵化場(chǎng)。5.4.1/5.4.2～5.4.20恒星壽命的長(zhǎng)短取決于它的質(zhì)量；恒星死亡取何種結(jié)局，也取決于它生前的質(zhì)量。恒星的質(zhì)量以太陽(yáng)質(zhì)量為單位。小于2.3太陽(yáng)質(zhì)量的屬小質(zhì)量恒星，死亡方式較為平穩(wěn)，結(jié)局是白矮星加一片碩大而稀薄的星云——行星狀星云。

行星狀星云的美麗為時(shí)不長(zhǎng)，它們以10～30千米/秒的速度向外擴(kuò)散，5萬(wàn)年后完全散去，只剩下孤燈獨(dú)處的白矮星也許能熬過(guò)幾十億年的光陰，慢慢冷卻、黯淡下去，光輝盡失，成為宇宙中的暗物質(zhì)。

5.4.21超新星爆發(fā)是中等質(zhì)量和大質(zhì)量恒星與自身重量抗?fàn)幍阶詈?，一次最猛烈的爆發(fā)。短時(shí)間內(nèi)傾瀉出的能量比恒星一生正常輻射能量的總和還要多。超爆之后，恒星死亡。十一、恒星化作星云

鳳凰涅槃，死而新生”。超新星爆發(fā)是一顆恒星死亡的詔告，同時(shí)也是新一代恒星誕生的動(dòng)力。超爆沖擊波會(huì)促成原本彌散的星云或星際物質(zhì)聚集在一起，邁上新恒產(chǎn)出的途程。

5.4.23銀河系中的超新爆發(fā)，是非常罕見(jiàn)的天象。有史以來(lái)人類史記錄到9次，都發(fā)生在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之前，而且全部都記錄在中國(guó)的歷史文獻(xiàn)中。

公元1054年（宋至和元年）超新星最負(fù)盛名，出現(xiàn)在北宋仁宗至和元年，史稱“天關(guān)客星”。5.4.28/5.4.29～5.4.32這顆超新星突然爆發(fā)并為宋朝人親見(jiàn)的時(shí)間是1054年7月4日凌晨4點(diǎn)左右，最后消逝的日期是1056年4月6日，共見(jiàn)643天，位置在金牛座ζ星（中文名天關(guān)星）近旁。在這個(gè)位置上，用現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡可以看到有一片蟹狀星云，在梅西耶天體表中列為第一號(hào)M1。5.4.33～5.4.43現(xiàn)代天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)銀河系中的超新星遺跡共有150多個(gè)絕大多數(shù)爆發(fā)在人類史前時(shí)期，沒(méi)有文字記載。5.4.46～5.4.50用現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡測(cè)到的超新星都在遙遠(yuǎn)的河外星系中，至1999年底已達(dá)1650多顆。唯一一顆肉眼可見(jiàn)的是1987年發(fā)生在大麥云中的超新星SN1987A（光盤圖5.4.46SN1987A爆發(fā)前后之比較）。SH1987A是典型的Ⅱ型超新星，最亮?xí)r有北斗七星那樣亮，爆發(fā)總能量3Χ1046焦耳，相當(dāng)于太陽(yáng)一生輻射能量總和的300倍。十二、恒星演化的最后結(jié)局喪失熱核反應(yīng)能力使恒星走向死亡。恒星死亡后的遺骸在引力的擺布下，塌縮為高度致密的天體。如果殘余質(zhì)量小于1.44太陽(yáng)質(zhì)量，那是白矮星；在1.44太陽(yáng)質(zhì)量與3太陽(yáng)質(zhì)量之間，那是中子星；大于3太陽(yáng)質(zhì)量，那是黑洞

1.44太陽(yáng)質(zhì)量被稱為錢德拉塞卡極限。

太陽(yáng)在變成白矮星以前的紅巨星階段，將吞沒(méi)掉水、金、地三個(gè)行星；變成白矮星以后，雖然體積縮得很小但質(zhì)量損失不多，引力依然強(qiáng)大?；鹦羌案客饷娴男行沁€會(huì)繞著它旋轉(zhuǎn)