第三節(jié)恒星的一生和宇宙的演化

1、,1.3恒星的一生和宇宙的演化,如果有一團(tuán)星際氣體超過通常的星際物質(zhì)（每立方厘米一個(gè)氫原子）的密度，達(dá)到每立方厘米六萬個(gè)氫原子。經(jīng)歷幾十萬年后，其中心區(qū)的密度逐漸變大，核心開始升溫，隨著溫度的上升，壓力開始變大，坍縮逐漸停止。外部物質(zhì)不斷落到內(nèi)部的小核上，它帶來的能量在物質(zhì)撞擊到核心上時(shí)又成為輻射而放出。與此同時(shí)，核心在不斷縮小，并變得越來越熱。,恒星形成的條件,溫度達(dá)到二千度左右時(shí)，氫分子開始分解成為原子。核心開始再度收縮，收縮時(shí)釋放出的能量將把所有氫分子都分解為原子。這個(gè)新生的核心比今天的太陽稍大一些，不斷向中心落下的外圍物質(zhì)最終都要落到這個(gè)核心上，一顆質(zhì)量和太陽一樣的恒星就要誕生了。 人

2、們將這時(shí)的天體稱為“原恒星”，它的輻射消耗主要由下落到它上面的物質(zhì)的能量來補(bǔ)充。其余的云團(tuán)物質(zhì)還在不斷向它落下，密度還在不斷增大，內(nèi)部溫度也在上升。直至中心溫度達(dá)到一千萬度發(fā)生聚變。一顆原始的恒星誕生了。,原始恒星的誕生,恒星是在氫分子云的中心產(chǎn)生的，因而主要由氫組成。高溫使氫里面的質(zhì)子和電子分離，四個(gè)質(zhì)子聚合，就成為一個(gè)氦核。氦核的質(zhì)量小于它賴以形成的四個(gè)質(zhì)子質(zhì)量之和。這個(gè)質(zhì)量差只是總質(zhì)量的千分之七，但是這一點(diǎn)質(zhì)量損失轉(zhuǎn)化成了巨大的能量。像太陽那樣的恒星有一個(gè)巨大的核，在那里每秒鐘有六億噸氫變成氦。巨大的核能量朝向恒星外部猛烈沖擊就能阻止引力收縮。,主序星,一旦燃料用光，熱核反應(yīng)的速率立即劇

3、減，引力與輻射壓之間的平衡被打破了，引力占據(jù)了上風(fēng)。有著氦核和氫外殼的恒星，在自身的重力下開始收縮，壓強(qiáng)、密度和溫度都隨之升高，于是恒星外層尚未動(dòng)用過的氫開始燃燒，外殼開始膨脹，而核心在收縮。,紅巨星的形成,紅巨星,紅巨星在迅速膨脹時(shí)，發(fā)出的光越來越偏紅。它極為明亮，肉眼看到的最亮的星中，許多都是紅巨星。紅巨星的體積很大，它的半徑一般比太陽大100倍。,在大約一億度的高溫下，恒星核心的氦原子核聚變成為碳原子核。每三個(gè)氦核聚變成一個(gè)碳核，碳核再捕獲另外的氦核而形成氧核。這些新反應(yīng)的速度與緩慢的氫聚變完全不同。它們像閃電一樣快地突然起爆（氦閃耀）。經(jīng)歷約一百萬年后，核能量的外流漸趨穩(wěn)定。此后的幾億

4、年里，恒星處于暫時(shí)的平穩(wěn)，核區(qū)的氦在漸漸消耗，氫的燃燒越來越向更外層推進(jìn)。這時(shí)的恒星將膨脹得極大，以使自己的結(jié)構(gòu)適應(yīng)于光度的增大。它的體積將增大十億倍。這個(gè)過程中恒星的顏色會(huì)改變，因?yàn)槠渫鈱优c高溫的核心區(qū)相距很遠(yuǎn)，溫度就低了下來。這種狀態(tài)的恒星稱為紅巨星。,紅巨星,紅巨星時(shí)期的恒星表面溫度相對(duì)很低，但極為明亮，因?yàn)樗鼈兊捏w積非常巨大。肉眼能看到的最亮的星中有許多就是紅巨星，如參宿四、畢宿五、大角、心宿二等。我們的太陽在五十億或六十億年后也將變成一個(gè)紅色“巨人”。當(dāng)核心的氫耗完時(shí)，太陽就開始膨脹，那時(shí)水星將化為蒸汽，金星的大氣將被吹光，地球上的海洋將沸騰。然后太陽還會(huì)繼續(xù)膨脹，并將地球納入它的勢(shì)

5、力范圍。地球被燒焦的殘骸會(huì)繼續(xù)在巨型太陽灼熱而極稀薄的大氣里轉(zhuǎn)圈。紅巨星外層物質(zhì)的密度比地球?qū)嶒?yàn)室里能得到的最好真空還要低得多。,紅巨星,超新星是恒星在死亡前的一次大爆發(fā)，所釋放的能量，發(fā)出的亮光相當(dāng)于十億顆太陽。爆炸將星球物質(zhì)以接近光速的速度，向四面八方發(fā)射。每一顆恒星一生之中最多只可能發(fā)生一次。,超新星,在恒星大膨脹成為紅巨星，熱核反應(yīng)速率也不可逆轉(zhuǎn)地衰減之后，恒星吹出氣體并收縮到地球那樣大小，即幾千公里直徑。物質(zhì)的濃縮使得星體表面溫度大為升高，以至真正成為白熱。小尺度和高表面溫度這兩個(gè)特征，使這種星得名為白矮星。,白矮星,白矮星的體積小、亮度低，但質(zhì)量大、密度極高。它的密度在1000萬噸

6、/米3左右。白矮星是一顆已死亡的恒星，中心的熱核反應(yīng)已停止 。,白矮星,白矮星是中等質(zhì)量恒星演化的終點(diǎn)，在銀河系中隨處可見。它的質(zhì)量越大，半徑就越小。由于沒有熱核反應(yīng)來提供能量，白矮星在發(fā)出輻射的同時(shí)，也以同樣的速率冷卻。但是，白矮星本性節(jié)儉，它在形成后要經(jīng)過數(shù)十億年的冷卻時(shí)間。白矮星的變暗過程是如此之慢，自一百五十億年前宇宙創(chuàng)生和第一批恒星出現(xiàn)以來，恐怕還沒有一個(gè)黑矮星形成，這里需要極大的耐心。太陽正處在其主序階段的中點(diǎn)，還要經(jīng)過五十億年才到行星狀星云那樣的“高齡”，它將再短暫地活躍十萬年，然后成為一顆白矮星并在一百億年中緩慢地死去，最后作為一顆黑矮星而永存。,黑矮星,鐵是大質(zhì)量恒星核心的最

7、后灰燼。與此同時(shí)恒星還不斷地膨脹其外殼以調(diào)節(jié)平衡，它會(huì)膨脹到一個(gè)異常巨大的尺度，成為紅超巨星。紅超巨星是宇宙中最大的恒星。如果把這樣一個(gè)星放在太陽系中心，它將吞沒包括遠(yuǎn)在五十億公里外的冥王星在內(nèi)的所有行星。,紅超巨星,恒星核心的平衡發(fā)生了前所未有的急劇變化，越來越不能抵擋無情的重壓，溫度持續(xù)上升，直到氦核本身也蛻變?yōu)槠浠境煞郑嘿|(zhì)子、中子和電子。在高溫下電子變得更不能阻擋壓縮力，在零點(diǎn)一秒內(nèi)，它們被擠壓到與質(zhì)子結(jié)合在一起。二者的電荷相中和，變成為中子，同時(shí)迸發(fā)出巨大的中微子流。,中子星,當(dāng)恒星的密度達(dá)到每立方厘米十的十四次方克，相當(dāng)于在一只縫紉頂針里有一億噸的質(zhì)量。恒星核里再?zèng)]有任何“真空”留

8、下，恒星核就成了一種主要由中子組成的巨大原子核，這種遠(yuǎn)比白矮星緊密的新的物質(zhì)簡并態(tài)，就叫做中子星。,中子星,質(zhì)量約是太陽410倍的恒星在超新星爆炸的過程，遺留下來的核心變成一顆體積很小，質(zhì)量卻很大的中子星，由中子構(gòu)成，密度為水的1014倍，僅1cm3的質(zhì)量就有全球人類那么重，直徑僅為30km。,中子星,在某些質(zhì)量遠(yuǎn)大于太陽的恒星的已簡并 的核心，繼續(xù)發(fā)生著坍縮，但最終形成 的并不是中子星，而是黑洞。,黑 洞,沒有東西能從黑洞逃逸，包括光線在內(nèi)。黑洞可從大質(zhì)量恒星的死亡中產(chǎn)生。一顆大質(zhì)量恒星坍縮后，當(dāng)其引力大得無任何其他排斥力能與之相對(duì)抗時(shí)，恒星被壓成了一個(gè)稱為“奇點(diǎn)”的孤立點(diǎn)。 奇點(diǎn)是黑洞的中

9、心，在它周圍引力極強(qiáng)。,黑 洞,黑洞,質(zhì)量比太陽大8倍以上的恒星，超新星爆炸后會(huì)形成“黑洞”。黑洞會(huì)把附近所有的物質(zhì)都吸進(jìn)去，就連光線也會(huì)被吞沒，所以我們是看不見黑洞的。但是如果黑洞附近有另外一顆恒星，我們可以從這顆鄰近恒星的物質(zhì)被吸入黑洞時(shí)的情形，證明黑洞的存在。,恒星的一生,星際氣體,收縮形成,中子星 黑洞,主序星,原恒星,主序星,太陽,紅巨星,白矮星,暗矮星,大恒星,超紅巨星,超新星,我們?nèi)庋劭匆姷乃泻阈牵约霸S許多多因?yàn)樘刀庋劭床灰姷暮阈?，還包括我們的太陽和太陽系在內(nèi)，都屬于一個(gè)巨大的恒星系統(tǒng)，即銀河系。銀河系中還包括許多星團(tuán)、星際介質(zhì)和星云。 銀河是由許多遙遠(yuǎn)的恒星組成的，表明

10、了銀河系的恒星在這一帶非常密集。在銀河中還可以看到許多暗帶，說明在銀河的方向上有大量的星際介質(zhì)和暗星云存在,銀河系,銀河系有一個(gè)扁平的盤，稱為銀盤。銀盤中恒星很密集，還有各種星際介質(zhì)和星云及星團(tuán)。銀盤的直徑有10多萬光年，厚度只有幾千光年。我們看到的銀河，就是銀盤中遙遠(yuǎn)的恒星密集在一起形成的。銀盤一個(gè)非常引人注目的結(jié)構(gòu)是有漩渦狀的旋臂，因此銀河系屬于漩渦星系。 銀河系出了核球和銀盤以外，還有一個(gè)很大的暈，稱為銀暈。銀暈中的恒星很稀少，還有為數(shù)不多的球狀星團(tuán)。銀暈的半徑可能伸展到30萬光年之遠(yuǎn)。,銀河系,由于萬有引力的影響，巨大的星系往往會(huì)聚集在一起，成群出現(xiàn)，構(gòu)成星系群或星系團(tuán)。絕大部分星系(

11、至少85%以上)都是出現(xiàn)在星系團(tuán)中的。我們把星系數(shù)在100以內(nèi)的稱為星系群，而多于100的我們就稱為星系團(tuán)。這些星系在空間分布上也會(huì)三五成群，形成群落，這就是所謂的超星系團(tuán)了。,河外星系,在漫無邊際的宇宙空間，無數(shù)的星系 和星系團(tuán)之間會(huì)怎樣組合呢？,思考：,一般認(rèn)為，我們現(xiàn)在所知的宇宙從整體 上看是泡沫狀的。 宇宙是沒有中心的，其間的物質(zhì)分布也 大致均勻,發(fā)現(xiàn)2、星系離我們?cè)竭h(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)的速度越快；,發(fā)現(xiàn)1、所有的星系都在遠(yuǎn)離我們而去。,發(fā)現(xiàn)3、星系間的距離在不斷地?cái)U(kuò)大,難道地球是宇宙的中心？,史蒂芬霍金，廣泛尊崇為繼愛因斯坦之后最杰出的科學(xué)家。黑洞理論和“大爆炸”理論的創(chuàng)立人，著名的時(shí)間簡史的作者。 17歲的霍金患病后只能永遠(yuǎn)坐在輪椅上并且失去了語言能力，這位全身只有三個(gè)手指能動(dòng)的殘疾人，卻依靠驚人的毅力完成了一系列驚人的關(guān)于大爆炸和黑洞的理論。,霍金,大約150億年前，我們所處的