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,如果有一團星際氣體超過通常的星際物質（每立方厘米一個氫原子）的密度，達到每立方厘米六萬個氫原子。經歷幾十萬年后，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。外部物質不斷落到內部的小核上，它帶來的能量在物質撞擊到核心上時又成為輻射而放出。與此同時，核心在不斷縮小，并變得越來越熱。,恒星形成的條件,溫度達到二千度左右時，氫分子開始分解成為原子。核心開始再度收縮，收縮時釋放出的能量將把所有氫分子都分解為原子。這個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最終都要落到這個核心上，一顆質量和太陽一樣的恒星就要誕生了。 人

2、們將這時的天體稱為“原恒星”，它的輻射消耗主要由下落到它上面的物質的能量來補充。其余的云團物質還在不斷向它落下，密度還在不斷增大，內部溫度也在上升。直至中心溫度達到一千萬度發(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生的，因而主要由氫組成。高溫使氫里面的質子和電子分離，四個質子聚合，就成為一個氦核。氦核的質量小于它賴以形成的四個質子質量之和。這個質量差只是總質量的千分之七，但是這一點質量損失轉化成了巨大的能量。像太陽那樣的恒星有一個巨大的核，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，引力占據了上風。有著氦核和氫外殼的恒星，在自身的重力下開始收縮，壓強、密度和溫度都隨之升高，于是恒星外層尚未動用過的氫開始燃燒，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，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。每三個氦核聚變成一個碳核，碳核再捕獲另外的氦核而形成氧核。這些新反應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。這時的恒星將膨脹得極大，以使自己的結構適應于光度的增大。它的體積將增大十億倍。這個過程中恒星的顏色會改變，因為其外層與高溫的核心區(qū)相距很遠，溫度就低了下來。這種狀態(tài)的恒星稱為紅巨星。,紅巨星,紅巨星時期的恒星表面溫度相對很低，但極為明亮，因為它們的體積非常巨大。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紅色“巨人”。當核心的氫耗完時，太陽就開始膨脹，那時水星將化為蒸汽，金星的大氣將被吹光，地球上的海洋將沸騰。然后太陽還會繼續(xù)膨脹，并將地球納入它的勢

5、力范圍。地球被燒焦的殘骸會繼續(xù)在巨型太陽灼熱而極稀薄的大氣里轉圈。紅巨星外層物質的密度比地球實驗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)出的亮光相當于十億顆太陽。爆炸將星球物質以接近光速的速度，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，熱核反應速率也不可逆轉地衰減之后，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，中心的熱核反應已停止 。,白矮星,白矮星是中等質量恒星演化的終點，在銀河系中隨處可見。它的質量越大，半徑就越小。由于沒有熱核反應來提供能量，白矮星在發(fā)出輻射的同時，也以同樣的速率冷卻。但是，白矮星本性節(jié)儉，它在形成后要經過數十億年的冷卻時間。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以來，恐怕還沒有一個黑矮星形成，這里需要極大的耐心。太陽正處在其主序階段的中點，還要經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,鐵是大質量恒星核心的最

7、后灰燼。與此同時恒星還不斷地膨脹其外殼以調節(jié)平衡，它會膨脹到一個異常巨大的尺度，成為紅超巨星。紅超巨星是宇宙中最大的恒星。如果把這樣一個星放在太陽系中心，它將吞沒包括遠在五十億公里外的冥王星在內的所有行星。,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|子、中子和電子。在高溫下電子變得更不能阻擋壓縮力，在零點一秒內，它們被擠壓到與質子結合在一起。二者的電荷相中和，變成為中子，同時迸發(fā)出巨大的中微子流。,中子星,當恒星的密度達到每立方厘米十的十四次方克，相當于在一只縫紉頂針里有一億噸的質量。恒星核里再沒有任何“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，這種遠比白矮星緊密的新的物質簡并態(tài)，就叫做中子星。,中子星,質量約是太陽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，質量卻很大的中子星，由中子構成，密度為水的1014倍，僅1cm3的質量就有全球人類那么重，直徑僅為30km。,中子星,在某些質量遠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。黑洞可從大質量恒星的死亡中產生。一顆大質量恒星坍縮后，當其引力大得無任何其他排斥力能與之相對抗時，恒星被壓成了一個稱為“奇點”的孤立點。 奇點是黑洞的中

9、心，在它周圍引力極強。,黑 洞,黑洞,質量比太陽大8倍以上的恒星，超新星爆炸后會形成“黑洞”。黑洞會把附近所有的物質都吸進去，就連光線也會被吞沒，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被吸入黑洞時的情形，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,我們肉眼看見的所有恒星，以及許許多多因為太暗而肉眼看不見的恒星，還包括我們的太陽和太陽系在內，都屬于一個巨大的恒星系統(tǒng)，即銀河系。銀河系中還包括許多星團、星際介質和星云。 銀河是由許多遙遠的恒星組成的，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和暗星云存在,銀河系,銀河系有一個扁平的盤，稱為銀盤。銀盤中恒星很密集，還有各種星際介質和星云及星團。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，就是銀盤中遙遠的恒星密集在一起形成的。銀盤一個非常引人注目的結構是有漩渦狀的旋臂，因此銀河系屬于漩渦星系。 銀河系出了核球和銀盤以外，還有一個很大的暈，稱為銀暈。銀暈中的恒星很稀少，還有為數不多的球狀星團。銀暈的半徑可能伸展到30萬光年之遠。,銀河系,由于萬有引力的影響，巨大的星系往往會聚集在一起，成群出現，構成星系群或星系團。絕大部分星系(

11、至少85%以上)都是出現在星系團中的。我們把星系數在100以內的稱為星系群，而多于100的我們就稱為星系團。這些星系在空間分布上也會三五成群，形成群落，這就是所謂的超星系團了。,河外星系,在漫無邊際的宇宙空間，無數的星系 和星系團之間會怎樣組合呢？,思考：,一般認為，我們現在所知的宇宙從整體 上看是泡沫狀的。 宇宙是沒有中心的，其間的物質分布也 大致均勻,發(fā)現2、星系離我們越遠，運動的速度越快；,發(fā)現1、所有的星系都在遠離我們而去。,發(fā)現3、星系間的距離在不斷地擴大,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家。黑洞理論和“大爆炸”理論的創(chuàng)立人，著名的時間簡史的作者。 17歲的霍金患病后只能永遠坐在輪椅上并且失去了語言能力，這位全身只有三個手指能動的殘疾人，卻依靠驚人的毅力完成了一系列驚人的關于大爆炸和黑洞的理論。,霍金,大約150億年前，我們所處的