8第八讲 恒星1.ppt

一 恒星视亮度和光度二 恒星的颜色 光谱和温度三 恒星距离及其测定 第六讲恒星 1 四 恒星的诞生 1 视星等公元前2世纪古希腊希帕恰斯用肉眼估计了星的亮度 按明暗程度分成6个等级 1 6 星的亮度越大 星等越小 肉眼能见到的约有6000颗恒星 一 恒星视亮度和光度 眼睛看起来最为明亮 1等星看起来比1等星稍暗一些 2等星再暗一些的 3等星 依此类推眼睛刚能看到的 6等星 视星等的科学性1850年 普森发现星等和亮度有一定的关系 星等按等差级数增加亮度按等比级数减小1等星比6等星大约亮100倍相邻2个星等的亮度差2 512倍取零星等的亮度 E 为单位 普森公式 m 2 5 lgEm为星等 分为1至6等 E恒星的亮度 观测者接收到的能量 视星等越大恆星越暗如果两顆恆星的视星等相差5等mB mA 5求出 恒星B的亮度比恒星A暗100倍 恒星视星等肉眼 可见6等大型望远镜 25等空间望远镜 29等 2 照相星等用照相底片代替肉眼观测星光亮度越大 照相底片感光黑度越浓按照相底片上感光强度定出的星等叫照相星等 3 绝对星等视星等不是恒星真实发光能力 把恒星移到10秒差距 32 6光年 处 再比较它们的亮度 目视星等 其目视星等叫做绝对星等 绝对星等表征恒星辐射强度 视星等表征观测者接收到的能量 视星等和绝对星等的关系 M m 5 5lgrM绝对星等 m视星等 r距离由r和m算出恒星的绝对星等M由M和m算出距离r 天狼星的视星等是 1 45等 距离为2 7秒差距 绝对星等 1 5等太阳离我们最近 光辉夺目 它的目视星等达到 26 7等 绝对星等才只有 4 83等 恒星辐射到观测者的强度与距离的平方成反比 恒星离我们越远越暗 4 光度光度和绝对星等都是指恒星的辐射适用于光学 红外 紫外 射电 及 射线波段光度单位 尔格 秒恒星之间的光度差别非常大 超巨星的光度比太阳约强五万倍白矮星光度不到太阳的万分之一 光度和体积 温度的关系恒星的光度由其温度和表面积决定温度愈高光度愈大 表面积愈大光度也愈大光度大的恒星叫做巨星光度比巨星更强的叫超巨星 光度小的称为矮星光度大的巨星 体积也大光度小的矮星 体积也小 二 恒星的颜色 光谱和温度 1 基尔霍夫光谱的三条定律 1870年 德国物理学家基尔霍夫发现 炽热的物体发出连续光谱 低压稀薄炽热气体发出某些单独的明亮谱线 较冷的气体在连续光源前面产生吸收谱线 给铁条加温1 温度低 红色2 温度中等 黄色3 温度很高 白色 黑体辐射 峰值波长由温度决定 太阳观测曲线和5800K的黑体辐射谱的比较很一致 因此太阳表面的温度约为6000度K 太阳光经过棱镜后被分为七色光 波长从400nm 700nm 毫微米 2 吸收线和发射线吸收线 在太阳连续光谱的上面有许许多多的粗细不等 分布不均的暗黑线 共有2万多条 发射线 在连续光谱上还有成千上万条明亮的谱线 电离 吸收线 发射线 能级和谱线发射线 吸收线和电离 连续光谱和发射线 连续光谱和吸收线 3 太阳光谱研究太阳光谱 连续谱 发射线和吸收线 可给出太阳大气的结构 物理状态 化学成分以及太阳活动的性质等 4 测量天体磁场的方法塞曼效应 19世纪末物理学家发现在均匀磁场中 原子辐射产生的某一条发射谱线要分裂为两条或三条 分裂程度与磁场强弱有关 天文学家利用塞曼效应设计出观测太阳和恒星磁场的设备 太阳是唯一的一颗能给出表面磁场分布的恒星 观测到的谱线 塞曼效应电子从高能级跃到低能级 发射一定频率的谱线有磁场时 能级分裂导致谱线分裂分裂程度与磁场强度成正比 因此可以测磁场 1 测量距离的重要性 我们肉眼只能知道恒星在天球上的投影的位置不知道恒星的距离就不能确定恒星空间的真实分布 运动速度和发射电磁波的真实强度 三 恒星的距离测定 2 距离单位恒星之遥远 远到无法用公里来做单位天文学家特别定义了3把不同的尺子1 天文单位太阳和地球之间的距离1亿5千万公里称为1个 天文单位 2 光年光1年要走大约10万亿公里3 秒差距1秒差距等于3 26光年 3 恒星距离比邻星距离是4光年多牛郎星为16光年织女星是25光年北极星的距离680光年银河系中最远的恒星约8万多光年河外星系中的恒星几亿甚至几百亿光年 北斗七星的距离 光年 大熊 75大熊 62大熊 75大熊 65大熊 62大熊 59大熊 108 4 怎样测量恒星的距离 近处的恒星可以用三角测量法 三角测量法的困难地球上的基线太短地球直径1 3万公里 1 3 10 9光年 最近恒星4 3光年角度太小无法测量地球轨道提供3亿公里基线 情况好转 2 周年视差隔半年的两次观测观测同一颗星 其视位置会发生变化 AB 3亿公里 1角秒 1秒差距 地球轨道 太阳 天文单位 3 秒差距以一个天文单位为底边 底角为1角秒 其直角边为一个秒差距 1弧度为206265角秒 l秒差距约等于3 26光年或30万亿公里恒星距离和恒星视差成反比恒星距离越远 它的视差越小 恒星越近 视差越大距离 秒差距 l 视差 角 织女星的视差为 角秒 距离 8 1秒差距 4 早期视差测量恒星距离非常遥远视差极为微小哥白尼在创立日心学说时 曾尝试测量恒星视差 未成功 以证明地球围绕太阳运转哥白尼之后经过了三百来年的努力 1838年才测量出恒星的视差天鹅座61的视差为 它相当于从12公里处看一个1分硬币所成的张角 恒星距离越远 它的视差越小 恒星越近 视差越大 把恒星视差为1角秒时 恒星所对应的距离作为一种单位 它名叫 秒差距 l秒差距约等于3 26光年或30万亿公里恒星距离和恒星视差成反比距离 秒差距 l 视差 角 织女星的视差为角秒距离 8 1秒差距 周年视差的局限性利用三角视差法测定了 大约7千颗较近的恒星的距离绝大多数恒星距离太遥远 它们的视差位移小于 根本测量不出它们的视差要寻找新的方法 恒星不恒恒星的相对位置几乎保持不变 明亮程度也似乎不发生变化 因而称它们为恒星事实上 恒星有很高的运动速度 有的可超过每秒一千公里亮度也在发生变化 各类变星 造父变星是特殊的一类 5 造父变星测距法 造父变星造父变星1784年 发现仙王座 星是变星 我国叫做 造父一 造父一最亮时是3 6等 最暗时是4 3等 周期性变化 5 37天 后来发现的造父变星越来越多 成为一种类型 造父型变星 造父变星的周光关系勒维特是美国一位两耳失聪女天文学家研究小麦哲伦星云中1777颗变星其中25颗造父变星 测到视星等 从12 5等到15 5等 光变周期 从2天到120天 发现了造父变星的周光关系 造父变星越亮变光周期越长 造父变星的周光关系测出一批知道距离的造父变星得到变光周期和绝对星等 造父变星测距法测出造父变星的光变周期利用周光关系曲线造父变星的绝对星等由关系式M m 5 5lgr 算出造父变星的距离可测定遥远的造父变星及其中含有造父变星的天体系统如星团 星系等的距离 分光视差测距法1902年 丹麦天文学家发现恒星光谱中电离锶谱线强度和恒星的绝对星等有关系1914年 美国天文学家建立起利用光谱谱线强度确定恒星视差的方法 分光视差归算曲线测定出未知距离的恒星的特征谱线强度比率后可求出绝对星等利用视星等 绝对星等和距离的关系式 可以求出恒星的距离 四 恒星的诞生 银河系约有二千亿个恒星 而宇宙至少有1023个恒星 这些众多的恒星 恒星的质量不尽相同 可能处在不同年龄与演化阶段 天文学家根据观测的结果 再加上理论的计算 构造出恒星演化的理论 恒星演化理论涵盖 恒星的诞生 新生与婴儿期 主序带恒星的演化 青年与壮年期 后主序带恒星的演化 老年期 恒星的归宿 死亡 与化学元素的合成 所以恒星并不是永恒的 他们与我们凡人相似 也有生老病死 本章的内容是有关恒星如何诞生 如何演化进入青年期 主序带 另一个重要的课题是 天文学家如何用一些方法 来证验恒星演化理论 1 简单图像 巨大 低密度的冷星云 分子云 经由重力塌缩 将位能转变成热能 当核心的温度升高到可以触发氢融合反应 恒星就诞生了 并变成小而密度高的热星 2 恒星诞生的原料 星际物质3 恒星的质量大多在太阳质的十分之一到数十倍之间 以太阳而言 其质量约是地球的三十三万倍 可见恒星有相当巨大的质量 能诞生恒星的巨大分子云 又是由几近真空的星际物质 历经亘古的时间缓慢聚集而成 星际物质主要是由氢 氦 尘埃所组成 4 星际物质存在的证据星光的消光与红化 发射星云 emissionnebula Trifid星云 或HII区域 反射星云 reflectionnebula Trifid星云 昂宿星团 thePleiades 暗星云 马头星云 本云河盘面 包克云球 Bokglobules 氢21公分线 无线电波段 0 26公分CO谱线 巨大分子云 数十万太阳质量 1 恒星的诞生 5 温度 数K到数百K之间 全看距离恒星多远而定 平均约在100K左右 6 密度 平均106原子 米3 或每CC的太空中 平均来说有一个原子 分布并不均匀 最密者有109原子 米3 而最疏者低达104原子 米3 在地球上实验室能造成的最好真空约在1010分子 米3 而在海平面太气每立方公尺中含有1025个分子 7 成份 分析星际星云的吸收光谱 可以得知 星云90 是原子或分子氢 9 为氦 剩下的为较重的元素 分子与星际尘埃 8 恒星诞生的机制但恒星诞生的故事并不是如此简单 星际物质受重力的吸引 慢慢的聚集在一起 同时温度也渐渐升高 温度愈高 原子与分子运动的速率也愈快 这种倾向抗衡了重力塌缩的继续进行 有时甚至可能把星云打散 由观测的证据显示 星云不可能经由自发性的重力塌缩 而变成恒星 天文学家认为有四种不同的过程 具有发挥临门一脚效用 能触发恒星的形成 超新星爆炸产生的巨大震波 例 CygnusLoop O B型热星放出巨大的辐射 恒星风推挤周围的星际物质使之成为物质密度较高的球壳 如蔷薇星云 Rosettenebula 分子云之间的踫撞 在银河系的漩涡臂 9 恒星诞生的过程类太阳恒星的诞生过程巨大分子云的塌缩塌缩分子云的分裂 理论 分子云的分裂终止 理论 原恒星 胎星 阶段 云气在塌缩成为成为恒星的前一状态 称为原恒星 胎星 protostar 它是热到足以产生红外线 但是不足以开始进行核融合 所以在可见光波段很难观测到 原恒星 胎星 阶段的演化吸积盘靠原恒星中心的温度极高 物质由中心处垂直盘面喷出 形成喷流 jets 触发氢融合 新恒星诞生原恒星的质量 因周围的物质持续地加入而增加 核心的温度也随之升高 当中心的温度超过4 106度时 氢开始发生核融合 一颗新的恒星也就诞生了 此时恒星的四周云气仍然很稠密 可能还无法直接看见这颗新生的恒星 但可观测周围云气受中心恒星激发的倩形 可以推知云气深处新恒星的诞生 进入主序带当胎星的中心开始产生氢核融合 则此一星体我们称之为主序星 恒星百分之九十的时间 都待在主星序上 2 恒星诞生的观测证据 茧状物 cocoon 是一种红外线光源 年轻的胎星通常是看不见的 都被一层称为茧状物的云气与星际尘埃所包围着 而此茧状云气受到胎星的加热会放出红外线 最终当胎星的温度够热 则茧状物将被吹走 M16的恒星诞生区 M42的恒星诞生区 金牛座T型星 TTauriStars 以第一颗被发现金牛座变星T命名 最初以为是年轻的变星 现在一般相信这类型星 是原恒星演化的最后阶段 正在清除它们的茧状物 例如NGC2264中有许多低质量的T型星 实测的数据显示星团中 大质量的恒星己在主序星阶段 而低质量恒星仍在T型星阶段 这个星团的年龄约仅有数百万年 因为同星团内的恒星是由同团云气中产生 所以它们起步的时间相同 但恒星进人主序带所需要的时间与其质量有关 一般质量愈大的星 愈快进入主序带 实测的结果与理论相合 双极流 bipolarflow 当气体掉入恒星的吸积盘面时 会拉曳着磁场 进而在旋转轴的两端产生喷流 而喷流与周围云气相撞 产生光度闪烁不定的Herbig Haro星体 由哈伯太空望远镜的观测发现 在猎户座大星云中的七百多颗新恒星 近半数有吸积盘的存在 现在的一般的臆测是 这些吸积盘假以时日 有可能会形成行星 如果这种说法是正确的 行星在宇宙中 可能到处皆是 由最近一系列的观测发现 如吸积盘 外太阳系行星与火星微生物等 使我们对外太阳系智慧生物 存在与否的问题有了无穷的想象空间 Herbig Haro星体原恒星演化过程所产生的双极流 高速冲入周围的云气 并激发云气中的物质放出电磁辐射 成为为亮度不规则变化的小星云 这类光度闪烁不定的小星云 常称为Herbig Haro星体 H Hobjects 所发出的辐射大都在可见光 红外线与无线电波段 3 星光的来源 恒星的能源太空中的云气经由重力塌缩 将重力位能转变成动能 动能的增加使得云气的温度升高 当温度升高到107K时 便使得云气中的氢开始产生核融合 释放出能量 氢核融合过程有二种 质子 质子链 p pchain 碳氮氧循环 CNOcycle 两种核融合过程都是将四个氢核融合成一个氦 并释放出能量 主序星用那一种氢融合过程产生能量 和它的核心的温度有密切的关联 据太阳标准模型 太阳核心的温度约为一千五百万度 理论计算显示 太阳高于百分之九十的能量可能是经由质子 质子链产生 而少于百分之十是来自碳氮氧循环 参见质子 质子链与碳氮氧循环与温度的关系图 但大质量恒星 能量产生的途径是以碳氮氧循环为主 不管恒星循何种路径来产生能量 四个氢的质量总和大于一个氦 也就是说 四个氢核融合成一个氦 会损失了部份的质量 如果我们用 m来代表所损失的能量 由爱因斯坦的质能公式 mass energyrelation 告诉我们 E mC2也就是 损失的质量转变成能量的释出 例 一公克的氢经由核融合大约可产生多大的能量 我们知道在一次的氢融合中会消耗4个氢核 m4H 6 693 10 27kg 产生1个氦核 mHe 6 645 10 27kg 也就是在氢融合的过程中质量减少 m 0 048 10 27kg 所以一次的氢融合所释出的能量 E mC2 0 048 10 27kg 3 108m sec 2 0 43 10 11J 1 10 12cal 一公克的氢约有6 1023个氢核 每一次氢核融合用掉4个氢核产生1 10 12cal的能量 所以1公克的氢在核融合过程中可产生 6 02 1023 4 1 10 12 1 5 1011cal每一公克的水从0 增高到100 的沸水需要100cal 所以1公克的氢在核融合的过程中所产生的能量可将1500公吨的水煮沸 恒星内部能量的传输恒星内部所产生的能量如何传到表面 以我们的太阳为例 百分之九十九的能量在核心产生 而且所产生的能量 大部份以高能珈玛射线 注 电磁辐射常又称为光子 与微中子释出 微中子极少与物质发生作用 立即飞离太阳 太阳内部的物质密度很高 光子平均每走1公分就与物质粒子碰撞一次 由核心以 光 的形式向外传递的能量 大约需经过一百万年的挣扎与反复的改头换面 才能扺达太阳表面 4 恒星是如何维持稳定 恒星的稳定是依赖流体静态平衡 HydrostaticEquilibrium 重力压与辐射压在星球的内部是保持平衡的 来维持稳定 从流体静态平衡 我们可暸解星球的内部 因不同的深