自然科學(xué)概要（第二版）（微課版）課件 10.2恒星的起源和演化

1宇宙大爆炸理論CONTENTS第10章現(xiàn)代天文學(xué)恒星的起源和演化210.2課程標(biāo)準(zhǔn)

1.知識(shí)目標(biāo)

識(shí)記恒星的亮度、視星等、光度、絕對(duì)星等的概念。

識(shí)記天文學(xué)的距離單位。

理解赫羅圖的重要意義。理解原恒星、主序星、紅巨星、白矮星、中子星、黑洞的成因。2.能力目標(biāo)具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標(biāo)弘揚(yáng)科學(xué)家精神，博學(xué)德清，鼎新致用。

第二節(jié)恒星的起源和演化

一、赫羅圖

恒星的光度依賴于它的溫度和大小，故把它們的光度和溫度作圖比較就能把恒星按體積大小區(qū)分開來。如果兩顆恒星的溫度相等而直徑不等，那么直徑小的光度就?。ò装牵?，這是因?yàn)橹睆叫〉暮阈瞧浔砻娣e也小的緣故，所以它的位置就在圖的下方。

如果兩顆星的光度一樣但溫度不同，冷星的體積必然要大些(紅巨星)。因此，越冷的星在圖上的位置越靠右。這種恒星光度和光譜型關(guān)系的圖，是由丹麥天文學(xué)家赫茨普龍和美國天文學(xué)家羅素于1905和1913年各自獨(dú)立創(chuàng)制，故名赫羅圖。赫羅圖1.恒星的亮度與視星等恒星的亮度是指地球上受光強(qiáng)度，即恒星的明暗程度。表示天體亮度的等級(jí)叫做視星等。古代的天文學(xué)家們很早就開始了根據(jù)恒星亮度劃分恒星等級(jí)的工作，天文學(xué)家把天上的恒星分成6等，以肉眼看來最亮的星為1等星，肉眼勉強(qiáng)可見的暗星為6等星。而比1等星更亮的太陽、月亮、等的星等值只能以負(fù)值來表示了。全天最亮的恒星天狼星為-1.45等，金星最亮?xí)r為-4.22等，月亮滿月時(shí)的亮度為-12.73等。2.恒星的光度與絕對(duì)星等光源的視亮度與其距離的平方成反比。為了比較不同恒星的真實(shí)發(fā)光能力，必須設(shè)想把它們移到相同的距離上，才能比較它們的真正亮度即光度。天文學(xué)上把這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)距離定為10個(gè)秒差距，即32.6光年處的亮度，稱為光度。

光度和亮度的公式：M=m+5-5lgd

太陽的亮度達(dá)-26.74等；絕對(duì)星等是4.75。根據(jù)亮度確定視星等根據(jù)光度確定絕對(duì)星等3.天文學(xué)的距離

（1）天文單位：規(guī)定地球到太陽的平均距離為一個(gè)天文單位，用1AU表示。1AU=1.496×108km.

（2）光年：定義光在真空中行走一年的距離為一光年，用1l.y.表示。1l.y.=9.4605×1012km.

（3）秒差距：指的是從某天體看太陽系時(shí)正交于視線上1AU所張的角度為1″(角秒）時(shí)的距離。

1pc=2.06×105AU=3.26l.y.

從某天體看太陽系時(shí)正交于視線上1AU所張的角度為1″時(shí)的距離。4.恒星的顏色恒星一般呈現(xiàn)出某種顏色，如紅色、黃色、白色、藍(lán)色等。在可見光中，紅光波長最長(0.7微米），藍(lán)光波長最短（0.4微米）。按照維恩位移定律：

λT=2.9×10-3

發(fā)光體的溫度越高，其光強(qiáng)最大值處的波長越短。

太陽在赫羅圖上處于主星序的中部。它是一個(gè)中等質(zhì)量、是一個(gè)黃色的恒星，表面溫度6000K。發(fā)光體的溫度越高，其光強(qiáng)最大值處的波長越短。二、恒星的演化

（一）原恒星階段18世紀(jì)初康德等倡言的散布于空間中的彌漫物質(zhì)（稱為星云）可以在引力的作用下凝聚成太陽和恒星的假說，經(jīng)過歷代天文學(xué)家的努力已逐漸發(fā)展成為相當(dāng)成熟的理論。

盡管星際物質(zhì)的密度很低，約為10-19kg/m3，但它們的分布很不均勻。當(dāng)引力做功轉(zhuǎn)化成熱，使分子云密度增加的同時(shí)溫度也不斷增高。

當(dāng)引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能而使中心天體熾熱發(fā)光。這就是原恒星階段。原恒星

原恒星在不斷收縮過程中，當(dāng)引力能轉(zhuǎn)化的熱能使中心溫度達(dá)到107K時(shí)，就足以觸發(fā)恒星中心氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)，從而放出巨大的核能，此時(shí)恒星不斷向外輻射出大量能量，我們說一顆恒星誕生了。按愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系，一定質(zhì)量m聯(lián)系的能量E是質(zhì)量乘以光速的平方mc2。與虧損質(zhì)量相聯(lián)系的能量也這樣計(jì)算。每四個(gè)氫聚變成一個(gè)氦（4H1→He4）放出247MeV的能量。核燃燒使恒星內(nèi)部物質(zhì)產(chǎn)生向外的輻射壓力，當(dāng)輻射壓力與引力達(dá)到平衡時(shí)，恒星的體積和溫度就不再明顯變化，進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的演化階段，稱為主星序階段。恒星在主星序階段停留的時(shí)間最長，包括太陽在內(nèi)的迄今發(fā)現(xiàn)的恒星90%處在這一階段。

（二）主序星階段主序星

（三）紅巨星階段

恒星中的核燃燒不僅發(fā)生于氫到氦的轉(zhuǎn)變，還有氦到碳再到其他較重元素的逐級(jí)轉(zhuǎn)變。

但發(fā)生這些轉(zhuǎn)變的溫度要求越來越高，溫度要高達(dá)一億度甚至幾十億度。當(dāng)恒星核心部分氫完全轉(zhuǎn)變成氦后，恒星的內(nèi)部將要發(fā)生新的變化。

一方面，星核由于輻射能力下降在引力作用下將收縮，收縮過程中引力做功產(chǎn)生的熱將恒星核心溫度再次提高，達(dá)到引發(fā)氦生成碳的程度，引發(fā)新一輪核反應(yīng)。

另一方面外面殼層的氫也會(huì)開始燃燒?？梢韵胂?，同時(shí)有兩個(gè)不同的核聚變發(fā)生，情況將是復(fù)雜的。

3He4→C12氦燃燒階段形體的結(jié)構(gòu)

當(dāng)氦燃燒完畢后，恒星核心又會(huì)類似的進(jìn)行新一輪核反應(yīng)。這樣的過程一直會(huì)進(jìn)行到合成鐵時(shí)為止。即：當(dāng)溫度大于一億度時(shí)，3He4→C12；C12+He4→O16+He4→Ne20+He4→Mg24

當(dāng)溫度大于幾十億度時(shí)，Mg24+He4→Si28+He4→

S32+He4→Cl36+He4→Ca40---Fe56.這一階段恒星核心經(jīng)歷幾個(gè)不同的核聚變反應(yīng)，恒星也經(jīng)歷多次收縮、膨脹，其光度也發(fā)生周期性的變化。此階段可稱為恒星的“更年期”。紅巨星、紅超巨星就是這一階段后期的產(chǎn)物。恒星的“更年期”（四）恒星的結(jié)局1.白矮星

如果恒星的質(zhì)量不超過1.4倍太陽質(zhì)量，則簡并電子氣的壓力能夠抵抗住引力坍縮，使星體穩(wěn)定下來,這就是白矮星。

其密度約105

～108g/cm3，半徑300～1200km，是恒星演化的第一種結(jié)局。第一顆被發(fā)現(xiàn)的白矮星是雙星系統(tǒng)天狼星A的伴星天狼星B。穩(wěn)定白矮星的質(zhì)量上限為1.44太陽質(zhì)量，稱為錢德拉塞卡極限。

天狼星的伴星是白矮星

2.中子星

初始質(zhì)量更大的恒星，電子被擠進(jìn)原子核內(nèi)，與質(zhì)子結(jié)合成中子，并且達(dá)到簡并態(tài)（高密度）。恒星的外層則隨即出現(xiàn)超新星爆發(fā)而被炸散。剩下的只是一個(gè)由簡并態(tài)中子氣壓力支撐的核心，這就是中子星。中子星幾乎完全由中子組成，其大小只有同質(zhì)量年輕恒星的百萬分之一。中子星物質(zhì)的密度約1014～

1015g/cm3，半徑小于10km，其他物理?xiàng)l件，如強(qiáng)引力、高溫度、強(qiáng)磁場(chǎng)等的極端程度也都遠(yuǎn)超過白矮星。

中子星的最大可能質(zhì)量，尚沒有精確確定，現(xiàn)有的估算值是在1.44～2.44倍太陽質(zhì)量之間。

脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的中子星。它有很強(qiáng)的磁場(chǎng)，當(dāng)自轉(zhuǎn)軸與磁場(chǎng)軸不一致時(shí)，磁感線的兩個(gè)輻射錐就像燈塔一樣掃過接收者，于是收到脈沖信號(hào)。中子星示意圖

3.黑洞

如果恒星在經(jīng)過各種形式的質(zhì)量損失特別是超新星爆發(fā)之后，其核心剩余的質(zhì)量大于2.44太陽質(zhì)量，就沒有任何力量能夠阻止引力坍縮。按照廣義相對(duì)論，物體一旦收縮到一個(gè)被稱為引力半徑的特征半徑以下，強(qiáng)大的引力就會(huì)使得包括光在內(nèi)的任何物質(zhì)都不可能再逃逸出來，物體也就消失在黑暗之中。這就是黑洞，即恒星演化的第三種結(jié)局。

黑洞的物質(zhì)密度大于1016g/cm3，半徑約為幾個(gè)km。黑洞示意圖

“類星體”距離我們非常遙遠(yuǎn)，能被觀察就說明它產(chǎn)生的能量非常驚人，現(xiàn)有的理論都不能很好地解釋其產(chǎn)生能量的機(jī)制，天文學(xué)家想到，這也許就是黑洞。白矮星中子星黑洞質(zhì)量≤1.44M⊙1.44～2.44M⊙≥2.44M⊙半徑300～1200km＜20km幾個(gè)km平均密度105～108g/cm31014～101