地理：1.3《恒星的一生和宇宙的演化》课件(新人教版选修1).ppt

恒星形成的条件 恒星通常是在星际气体中诞生的。在宇宙 中，当星际气体的密度增加到一定程度时， 由于其内部引力的增长大于气体压力的增长 ，这团气体云就开始收缩。这样的倾向一开 始，其自身引力使巨量物质的密度普遍增大 。巨大质量的星际物质开始变得不稳定。这 些巨量的星际气体与尘埃坍缩进行得越来越 迅猛，开始分裂形成较小的云团，密度也增 大了许多。这些较小的云团最终将各自成为 一颗恒星。 如果有一团星际气体超过通常的星际物质（ 每立方厘米一个氢原子）的密度，达到每立 方厘米六万个氢原子。经历几十万年后，其 中心区的密度逐渐变大，核心开始升温，随 着温度的上升，压力开始变大，坍缩逐渐停 止。外部物质不断落到内部的小核上，它带 来的能量在物质撞击到核心上时又成为辐射 而放出。与此同时，核心在不断缩小，并变 得越来越热。 温度达到二千度左右时，氢分子开始分解成 为原子。核心开始再度收缩，收缩时释放出 的能量将把所有氢分子都分解为原子。这个 新生的核心比今天的太阳稍大一些，不断向 中心落下的外围物质最终都要落到这个核心 上，一颗质量和太阳一样的恒星就要诞生了 。 人们将这时的天体称为“原恒星”，它的 辐射消耗主要由下落到它上面的物质的能量 来补充。其余的云团物质还在不断向它落下 ，密度还在不断增大，内部温度也在上升。 直至中心温度达到一千万度发生聚变。一颗 原始的恒星诞生了。 恒星是在氢分子云的中心产生的，因而主 要由氢组成。高温使氢里面的质子和电子分 离，四个质子聚合，就成为一个氦核。氦核 的质量小于它赖以形成的四个质子质量之和 。这个质量差只是总质量的千分之七，但是 这一点质量损失转化成了巨大的能量。像太 阳那样的恒星有一个巨大的核，在那里每秒 钟有六亿吨氢变成氦。巨大的核能量朝向恒 星外部猛烈冲击就能阻止引力收缩。 一旦燃料用光，热核反应的速率立即剧 减，引力与辐射压之间的平衡被打破了 ，引力占据了上风。有着氦核和氢外壳 的恒星，在自身的重力下开始收缩，压 强、密度和温度都随之升高，于是恒星 外层尚未动用过的氢开始燃烧，外壳开 始膨胀，而核心在收缩。 红巨星 红巨星在迅速膨胀时， 发出的光越来越偏红。 它极为明亮，肉眼看到 的最亮的星中，许多都 是红巨星。红巨星的体 积很大，它的半径一般 比太阳大100倍。 红巨星红巨星 在大约一亿度的高温下，恒星核心的氦原子核聚 变成为碳原子核。每三个氦核聚变成一个碳核，碳 核再捕获另外的氦核而形成氧核。这些新反应的速 度与缓慢的氢聚变完全不同。它们像闪电一样快地 突然起爆（氦闪耀）。经历约一百万年后，核能量 的外流渐趋稳定。此后的几亿年里，恒星处于暂时 的平稳，核区的氦在渐渐消耗，氢的燃烧越来越向 更外层推进。这时的恒星将膨胀得极大，以使自己 的结构适应于光度的增大。它的体积将增大十亿倍 。这个过程中恒星的颜色会改变，因为其外层与高 温的核心区相距很远，温度就低了下来。这种状态 的恒星称为红巨星。 红巨星红巨星 红巨星时期的恒星表面温度相对很低，但 极为明亮，因为它们的体积非常巨大。肉眼 能看到的最亮的星中有许多就是红巨星，如 参宿四、毕宿五、大角、心宿二等。我们的 太阳在五十亿或六十亿年后也将变成一个红 色“巨人”。当核心的氢耗完时，太阳就开始 膨胀，那时水星将化为蒸汽，金星的大气将 被吹光，地球上的海洋将沸腾。然后太阳还 会继续膨胀，并将地球纳入它的势力范围。 地球被烧焦的残骸会继续在巨型太阳灼热而 极稀薄的大气里转圈。红巨星外层物质的密 度比地球实验室里能得到的最好真空还要低 得多。 超新星是恒星在死亡前的一次大爆发， 所释放的能量，发出的亮光相当于十亿颗太 阳。爆炸将星球物质以接近光速的速度，向 四面八方发射。每一颗恒星一生之中最多只 可能发生一次。 超新星 在恒星大膨胀成为红巨星，热核反 应速率也不可逆转地衰减之后，恒 星吹出气体并收缩到地球那样大小 ，即几千公里直径。物质的浓缩使 得星体表面温度大为升高，以至真 正成为白热。小尺度和高表面温度 这两个特征，使这种星得名为白矮 星。 白矮星的体积小、亮度低，但 质量大、密度极高。它的密度在1000万吨/ 米3左右。白矮星是一颗已死亡的恒星，中 心的热核反应已停止 。 白矮星 白矮星是中等质量恒星演化的终点，在银河系中随 处可见。它的质量越大，半径就越小。由于没有热 核反应来提供能量，白矮星在发出辐射的同时，也 以同样的速率冷却。但是，白矮星本性节俭，它在 形成后要经过数十亿年的冷却时间。白矮星的变暗 过程是如此之慢，自一百五十亿年前宇宙创生和第 一批恒星出现以来，恐怕还没有一个黑矮星形成， 这里需要极大的耐心。太阳正处在其主序阶段的中 点，还要经过五十亿年才到行星状星云那样的“高龄” ，它将再短暂地活跃十万年，然后成为一颗白矮星 并在一百亿年中缓慢地死去，最后作为一颗黑矮星 而永存。 铁是大质量恒星核心的最后灰烬。与 此同时恒星还不断地膨胀其外壳以调节 平衡，它会膨胀到一个异常巨大的尺度 ，成为红超巨星。红超巨星是宇宙中最 大的恒星。如果把这样一个星放在太阳 系中心，它将吞没包括远在五十亿公里 外的冥王星在内的所有行星。 中子星中子星 恒星核心的平衡发生了前所未有的急剧 变化，越来越不能抵挡无情的重压，温 度持续上升，直到氦核本身也蜕变为其 基本成分：质子、中子和电子。在高温 下电子变得更不能阻挡压缩力，在零点 一秒内，它们被挤压到与质子结合在一 起。二者的电荷相中和，变成为中子， 同时迸发出巨大的中微子流。 中子星中子星 当恒星的密度达到每立方厘米十的十四 次方克，相当于在一只缝纫顶针里有一 亿吨的质量。恒星核里再没有任何“真 空”留下，恒星核就成了一种主要由中 子组成的巨大原子核，这种远比白矮星 紧密的新的物质简并态，就叫做中子星 。 质量约是太阳410倍的恒星在超新星爆 炸的过程，遗留下来的核心变成一颗体积很 小，质量却很大的中子星，由中子构成，密 度为水的1014倍，仅1cm3的质量就有全球人类 那么重，直径仅为30km。 中子星 在某些质量远大于太阳的恒星的已简并 的核心，继续发生着坍缩，但最终形成 的并不是中子星，而是黑洞。 没有东西能从黑洞逃逸，包括光线在内 。黑洞可从大质量恒星的死亡中产生。 一颗大质量恒星坍缩后，当其引力大得 无任何其他排斥力能与之相对抗时，恒 星被压成了一个称为“奇点”的孤立点。 奇点是黑洞的中心，在它周围引力极强 。 黑洞 质量比太阳大8倍以上的恒星，超新星爆炸后会形 成“黑洞”。黑洞会把附近所有的物质都吸进去，就连光 线也会被吞没，所以我们是看不见黑洞的。但是如果黑 洞附近有另外一颗恒星，我们可以从这颗邻近恒星的物 质被吸入黑洞时的情形，证明黑洞的存在。 恒星的一生 星际气体 收缩形成 中子星 黑洞 主序星 原恒星 主序星 太阳 红巨星白矮星暗矮星 大恒星 超红巨星超新星 银河系银河系 我们肉眼看见的所有恒星，以及许许多 多因为太暗而肉眼看不见的恒星，还包括我 们的太阳和太阳系在内，都属于一个巨大的 恒星系统，即银河系。银河系中还包括许多 星团、星际介质和星云。 银河是由许多遥远的恒星组成的，表明了 银河系的恒星在这一带非常密集。在银河中 还可以看到许多暗带，说明在银河的方向上 有大量的星际介质和暗星云存在 银河系银河系 银河系有一个扁平的盘，称为银盘。银盘中 恒星很密集，还有各种星际介质和星云及星 团。银盘的直径有10多万光年，厚度只有几 千光年。我们看到的银河，就是银盘中遥远 的恒星密集在一起形成的。银盘一个非常引 人注目的结构是有漩涡状的旋臂，因此银河 系属于漩涡星系。 银河系出了核球和银盘以外，还有一个很 大的晕，称为银晕。银晕中的恒星很稀少， 还有为数不多的球状星团。银晕的半径可能 伸展到30万光年之远。 由于万有引力的影响，巨大的星系往往 会聚集在一起，成群出现，构成星系群 或星系团。绝大部分星系(至少85%以上 )都是出现在星系团中的。我们把星系 数在100以内的称为星系群，而多于100 的我们就称为星系团。这些星系在空间 分布上也会三五成群，形成“群落“，这 就是所谓的超星系团了。 在漫无边际的宇宙空间，无数的星 系 和星系团之间会怎样组合呢？ 一般认为，我们现在所知的宇宙从整体 上看是泡沫状的。 宇宙是没有中心的，其间的物质分布也 大致均匀 发现1、所有的星系都在远离我们而去。 发现3、星系间的距离在不断地扩大 难道地球是宇宙的中心？难道地球是宇宙的中心？ 史蒂芬史蒂芬 霍金，广泛尊崇为继爱因斯坦霍金，广泛尊崇为继爱因斯坦 之后最杰出的科学家。黑洞理论和之后最杰出的科学家。黑洞理论和“ “大大 爆炸爆炸” ”理论的创立人，著名的理论的创立人，著名的时间简时间简 史史的作者。的作者。 17岁的霍金患病后只能永远坐在轮椅 上并且失去了语言能力，这位全身只有 三个手指能动的残疾人，却依靠惊人的 毅力完成了一系列惊人的关于大爆炸和 黑洞的理论。 大约150亿年前，我们所处的宇宙全 部以粒子的形式、极高的温度、极大的 密度，被挤压在一个“原始火球” 中。 大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不大爆炸使物质四散出击，宇宙