天体与地球第三章恒星.ppt

1 第一节恒星的基本物理参量与赫罗图一 恒星的基本物理参量二 赫罗图第二节恒星的形成和演化一 恒星的形成二 恒星的青壮年三 恒星晚年的演化第三节恒星熔炉中元素的锻造一 宇宙元素的分布规律二 元素起源第四节黑洞 宇宙物质演化的终点与起点一 黑洞的特征和结构二 黑洞辐射 霍金辐射 三 找寻黑洞 第三章恒星 2 由国际天文学家联盟1925年认定并确定编号的星座共88个 3 第一节恒星的基本物理参量与赫罗图一 恒星的基本物理参量1 恒星主要由等离子体的H和He组成 内部进行热核聚变反应 能自行发光的球状天体 最普通的恒星 太阳 最近恒星 半人马座比邻星 4 22光年 恒星不 恒 仅是距离遥远 故名 恒星的化学组成 主要为H He 97 次代恒星可含少量重元素 O C N Ne Si Mg S Fe等 3 恒星是宇宙能量循环 物质转化的主要场所 4 2 恒星的基本物理参量 1 亮度和光度 亮度 视星等m 恒星真正发光强度地球上测定的星等称视星等m 视星等m 2 5LgE E为亮度常见天体的视星等 太阳 26 7 满月 12 7天狼星 1 46 织女星0 光度 绝对星等M 恒星真正发光强度 将天体换算成距地球等距离 10秒差距 绝对星等与视星等的关系式 M m 5 5Lgrr 秒差距 5 恒星的距离和亮度 6 视星等与绝对星等 7 8 恒星光度 体积 分级 超巨星 亮巨星 正常巨星 亚巨星 矮星 主序星 亚矮星 白矮星恒星的光度与体积有关 温度相同的恒星 体积越大 总辐射流量 光度 越大 绝对星等越小 9 2 表面温度与恒星的光谱分类 表面温度 有效温度 40000 3000K 哈佛光谱分类光谱型 O B A F G K M次型 每个谱型可分10个次型 恒星光谱二元分类哈佛光谱分类 光度级太阳G2V 黄色次二型 5770K 矮星织女 天琴座 星 AOV 白色0次型 温度10000K 矮星参宿四 猎户座 星 M2I 红色2次型 温度3400K 超巨星 10 恒星光谱型 11 3 恒星的直径直径范围 几公里 108公里 4 恒星的质量质量范围 0 1 几十M日太阳质量 M日 1 989 1033克 2亿亿亿吨 5 恒星的密度密度范围 10 9克 厘米3 1015克 厘米3 红超巨星 中子星 12 恒星的体积与密度 13 6 距离 三角视差法测距 造父变星的周光关系测距a 造父变星 是高光度周期性脉动变星 光度曲线和光度周期非常稳定 可作为宇宙的量天尺 标准烛光 b 造父变星的周光关系 光度周期 天 与绝对星等之间呈线性函数关系 14 三角视差法测距 15 c 测距原理 将遥远星系内的造父变星与银河系内的造父变星相互比较 i 在一个星系中找出一个造父变星ii 观测确定它的亮度变化周期 由周光关系推算出绝对星等MIII 根据观测亮度推算出视星等mIV 据公式M m 5 5Lgr 求距离r I型超新星 新的标准烛光将遥远星系内的I型超新星与银河系内的I型超新星相互比较 16 量天尺 造父变星 17 造父变星的周光关系 18 二 赫罗图1 赫罗图 表示恒星的光谱型 表面温度 与光度 体积 的关系图赫茨普龙 罗素H R2 恒星在赫罗图内分布规律 1 主序星 分布在主星序内的正常恒星主星序 左上方 右下方的对角线带内 集中了90 恒星 主序星在主序内的分布规律 按质量由大到小 由左上方到右下方顺序排列 主序星的质光关系 光度 质量3 5质量越大 恒星越亮 密度越低 寿命越短 19 赫罗图 20 赫罗图和它的发明者 21 主序星的排序与寿命 22 2 红巨星与红超巨星分布在赫罗图右上方 红巨星光谱型为M 3000 4000K 红色 体积大 光度 100太阳 红超巨星光谱型为M 3000 4000K 红色 体积更大 光度 1000太阳红巨星与红超巨星都是演化晚期的恒星 3 白矮星分布在赫罗图的左下方 光谱型为A 1 2万K 白色 体积很小白矮星是主序星经红巨星 红超巨星爆发后遗留的致密内核 23 赫罗图 24 赫罗图 25 第二节恒星的形成和演化一 恒星的形成1 恒星的孕育 1 物质基础 气体H He构成的弥漫星云恒星的产房 老鹰星座石笋状星云 2 收缩临界质量星云 103 104M日 3 星云收缩的激发因素 超新星爆发 进入星系旋臂区域 4 星云演化结果 旋转慢 单恒星 旋转快 双恒星 多恒星 旋转中等 核心与包裹星云分离 行星系统 26 蟹状星云 27 马头星云 28 礁湖星云 29 恒星产房 30 太阳们的摇篮 冷的暗星云 31 46亿年前太阳系的诞生 32 双恒星 33 2 恒星的诞生 1 星云快速引力收缩阶段 星云收缩 10 18克 厘米3 形成凝聚核 10 13克 厘米3 核心 1500K H2 H 电离H e 原恒星增辉 核心向外辐射光 原恒星形成 3000K 2 原恒星演化阶段a 慢引力收缩 林忠四朗期 对流输运能量 b 进入主序星阶段 辐射输运能量 核心温度1千万K 热核聚变的临界温度 恒星动态平衡 释能 引力 34 恒星太阳的形成 35 太阳系的诞生 36 二 恒星的青壮年 主序星阶段 恒星的能源 热核聚变 1 热核聚变原理 贝特理论 41H 4HeH核1 00782质量单位He核4 002603质量单位4 H核 He核 0 0287质量单位1克氢聚变产能6 5 1011焦 20万吨煤热量太阳每秒400万吨质量转化为能量 太阳寿命100亿年 37 氢热核聚变有两种方式 P P反应 质子 质子反应 1H 1H 2D e V 1 2D 1H 3He 2 3He 3He 4He 21H 3 1 3 净结果 41H 4He 2e 2V 38 质子 质子反应 39 热核聚变原理 贝特理论 41H 4He 40 碳氧氮 CNO 循环反应12C 1H 13N 1 13N 13C e V 2 13C 1H 14N 3 14N 1H 15O 4 15O 15N e V 5 15N 1H 12C 4He 6 1 6 净结果 41H 4He 2e 2V上述反应中均产生中微子V太阳核物理研究中的中微子失踪案 41 碳氮氧循环反应 42 2 恒星在主序星阶段停留的时间 恒星的寿命 1 离开主序的条件 当聚变He占12 时 2 主序星的寿命 根据质光关系 光度与质量3 5成正比寿命与质量3 5成反比a 早型星 O B型 大质量 高光度 低寿命b 晚型星 M K型 小质量 低光度 长寿命c 中间型星F G型 介于上述二者之间 43 三 恒星晚年的演化 脱离主星序离开主序星的物理变化 镜像法则 中心核收缩 氢燃烧生成氦核 粒子数减少 压力降低 外层膨胀 中心核收缩的结果 导致温度升高 密度增大 热核反应更加剧烈 产生过多能量 向外辐射 膨胀 决定恒星晚年演化进程和结局的主要因素是 质量 44 镜像法则 45 1 中等质量恒星 8 2 2M日 的演化 7M日恒星为例 主序星停留在主星序2600万年 红巨星氦核的形成并燃烧 氦热核聚变的临界温度 1亿K 脉动造父变星 红超巨星氦层2亿K 外层氢1亿K 星体全部燃烧 迅速释放能量 红超巨星爆炸残留核心 C O Ne 行星状星云 白矮星 白矮星质量上限 1 44M日 昌德拉塞卡极限 46 2 小质量恒星 0 5 2 2M日 的演化 主序星几十亿 几千亿年 红巨星a 氦核心区电子简并电子简并 一定温度下 热运动电子均占据满位置 具极高密度 b 氦闪 爆炸性氦燃烧 几秒钟完成 变星不稳定变星 红超巨星爆炸CONe核 白矮星行星状星云 白矮星 47 双层太阳 48 太阳的晚年 49 太阳在赫罗图上的演化轨迹 50 太阳的一生 51 白矮星 52 太阳的晚年 白矮星和行星状星云 53 3 极小质量恒星 0 5M日 的演化 1 0 5 0 07M日恒星的演化 主序星几万亿年 白矮星核心区 8千万K 氦不燃烧核 电子简并收缩形成He白矮星外层H 行星状星云 2 0 07M日恒星的演化为褐矮星 无热核聚变 仅有2H捕获质子反应 几百万年2H耗尽 星体收缩 呈简并固 液 态 释热后变成黑矮星 54 4 超大质量恒星 8M日 的演化 超新星 脉冲星与中子星 1 超新星 型超新星 超新星 恒星中爆发规模最为强烈的变星 是恒星演化晚期产物 超新星爆发 光度107 1010太阳 星系级 释能1047 1052尔格 太阳百亿年 两类超新星 型超新星 由星族 而来 不含重元素 8M日 型超新星 由星族 而来 含重元素 3 8M日 55 超新星及蟹状星云的记载 a 1054年 宋会要辑稿 记载 宋嘉佑元年三月司天监言客星没 客去之兆也 初至和元年五月晨出东方 守天关 昼见如太白 芒角四出 色赤白 凡见二十三日 b 1731年 英人发现金牛座蟹状星云 c 1921年 邓肯发现蟹状星云的膨胀 已膨胀900年 d 1928年 哈勃认为 蟹状星云 1054年超新星爆发 56 蟹状星云 57 1975年天鹅座超新星爆发前 58 1975年天鹅座超新星爆发后 59 1987A超新星爆发前后 60 1987A超新星爆发后的行星状星云 61 型超新星爆发机制a 轮番核燃烧 元葱头结构 H燃烧 He H燃烧形成收缩核He燃烧 C O 核心1 9亿K 1100克 厘米3C燃烧 Ne Mg Na 核心7 4亿K 24 104克 厘米3Ne燃烧 Si 核心16亿K 740 104克 厘米3O燃烧Si燃烧56Fe核心 呆滞核 50亿K 62 超新星洋葱头 63 每一轮轮核聚变的产物都是下一轮核燃烧的原材料 直到56Fe为止 b 原子核裂解 坍缩 温度100亿K 1010克 厘米356Fe 134He 4n 124 4MeV4He 2p 2n 28 3MeVc 中子化 巨大原子核 中子星p e n Ve中子间距10 13厘米 密度1015克 厘米3中子化过程释放大量中微子爆发 中微子天文学 64 65 66 日本神冈中微子探测装置 SN1987A爆发时记录了24个中微子 67 震荡的中微子 68 型超新星 II 69 2 脉冲星 脉冲星 射电天天学巨大发现1976年剑桥卡文迪许实验室休伊什和贝尔发现脉冲射电源 间隔1 3373秒 持续0 025秒 小绿人 脉冲源 脉冲星 脉冲星模型 极高速旋转的致密天体 3 中子星 中子星的预言和发现a 1923年巴德和兹威基预言中子星存在 死亡恒星质量 1 44M日 昌氏极限 时 将成为由1052中子组成的天体 70 脉冲星的发现 71 脉冲星与中子星 72 b 1939年奥本海默从理论上证实中子星存在 提出中子星质量上限 3 5M日 奥本海默极限 c 1968年 蟹状星云中心脉冲星的发现 脉冲周期0 0033秒 中子星模型中子星 由中子简并压力约束的天体 密度1013 1015克 厘米3中子星模型 铁壳结晶幔超流中子液核 73 中子星模型 74 脉冲星模型 75 蟹状星云中的脉冲星 中子星 76 4 型超新星 型超新星 由半接双星中的白矮星演化而成的超新星 含重元素 属于星族 型超新星爆发机制a 白矮星为电子简并态 由C构成b 白矮星吸收同伴红巨星物质 形成H壳c 当白矮星质量 1 44M日时 压缩H壳升温至1000万K时 H燃烧 Hed H燃烧迅速将星体加热至1亿K 引起电子简并核心He C爆炸性燃烧 氦闪 碳闪 e 爆炸后 质量 1 44M日 仍为白矮星 型超新星爆发 新标准烛光 77 双星 天鹅座X双星 78 79 型超新星 I 80 81 天狼星B在赫罗图上的演化轨迹 82 不同质量恒星的演化 83 第三节恒星熔炉中元素的烹制 B2FH理论一 宇宙元素丰度1956年修斯 尤里发表 宇宙元素表 总结宇宙中元素的分布规律 H He占97 重元素含量少于2 4 100 原子量 元素丰度呈指数减少 D Li Be B远少于相邻元素 84 85 宇宙元素分布规律 86 16O 20Ne 40Ca等4N元素丰度大于相邻元素 偶数元素丰度大于奇数元素 56Fe丰度大 百倍峰值 比Fe重的元素丰度差不多 87 二 重元素的烹制重元素起源 B2FH理论B2 伯比奇夫妇F 福勒H 霍伊尔1 重离子热核反应 形成56Fe之前所有元素 过程 He 粒子 4N核素2 4He 4He 8Be 95KeV 1亿K 3 8He 4He 12C 7 4KeV 88 4 16O 5 20Ne 6 24Mg 109K 10亿度 14 56Fe e过程 4N核素的相邻元素6 12C 12C 23Na p7 108K 7亿K 8 16O 16O 31P p2 109K 31S n 89 2 俘获中子反应 形成56Fe之后所有元素 Z A Z A 1 Z 1 A 2 Z A 56FeZ 原子序数 质子数 A 质量数 核子数n p 大质量恒星演化晚期的超新星爆发提供强大中子源 56Fe的原子核在瞬间完成了俘获中子 制造重元素的过程 n n p 90 现代炼金术 91 92 富勒球 C60 93 克罗托与富勒烯 94 95 96 总结 元素的起源 原子核演化 在宇宙最初的三分钟原初核核合成 合成H He和极少量Li 在千千亿亿颗恒星的熔炉中 He元素在不断增加 贝特理论 重元素的烹制 B2FH理论 重离子热核反应 形成56Fe之前所有元素 过程 粒子 He 4N核素 e过程 4N核素的相邻元素 俘获中子反应 形成56Fe之后所有元素 97 宇宙中最重要的化学元素 H He 恒星的基本物质 化学元素之源 Fe 类地行星的核心 Si O 类地行星的幔 壳 C 最重要的生命元素 碳基生命 C H O N 四大生命元素 98 第四节黑洞 宇宙物质演化的终点与起点一 黑洞的特征和结构1 黑洞1783 迈克尔 不可见天体的质量足够大 体积足够小 将使逃逸速度 光速1798 拉普拉斯 如果吸引使光都无法发出 不可见天体1916 史瓦西建立广义相对论引力场解 史瓦西度规 S 大质量恒星塌缩使周围引力场增强 空间弯曲 光线偏转 当恒星半径达到 S 2MG C2 光线将无法逃逸 99 1939 奥本海默提出奥氏极限 认为 如果超过M日 3 5时 中子星将继续坍缩 成为体积为0 密度 的点 1967 惠勒 命名 黑洞黑洞定义 对于一定质量的天体 如果它的半径小于 S 2MG C2 史瓦西半径 将使它的逃逸速度超过光速 这个天体就将成为黑洞 太阳黑洞 S 3000m地球黑洞 S 0 85m 100 史瓦西半径 101 2 黑洞结构以 S为半径的事件视界包围着一个奇点 事件视界 光不可能逃出的区域边界 奇点 黑洞中心 具有无穷大的密度 压力 无穷大的时 空曲率 3 黑洞及其附近的时 空性质 黑洞附近的时 空迟滞根据广义相对论 黑洞周围空间极度弯曲 时间极度变慢 黑洞事件视界内的时 空互换黑洞事件视界内时间 空间 统一为径向坐标 0时为时间 空间终结 102 黑洞的两种时间 103 黑洞拉引 104 黑洞附近的时空弯曲 105 吸入黑洞 106 二 黑洞的基本特征1 黑洞无毛 定理黑洞无毛 黑洞除质量 角度量 电荷外 不保持形成它的物质的任何性质 2 黑