恒星世界(黎鹏宇).doc

苏州中学天文爱好者学习材料 - 7 - 第四章 恒星世界第一节恒星的一般性质一、恒星的距离在历史上，恒星的距离是天文学所遇到的最重要和最“棘手”的问题之一。为了测量地面上的远方目标，人们发现了“三角视差法。此方法的几何原理是：测量远方的目标O，首先在地面上画一条直线作为“基线”，度量其长度，设基线两端为A和B。然后把测量仪器置于A端，测量OAB；再置于B端，测量OBA，这样得到一个三角形。从O点引一直线与基线垂直至D，OD线就是到达目标的距离，所得到的AOB叫“视差角”，视差角越小，距离越远，这就是“三角视差法。除了太阳以外，所有的恒星的视差角没有一个达到1的。为了得到尽量大的视差角，就需要加长基线，于是人们想到了地球绕太阳公转的轨道。人们开始使用相隔半年、先后2次观测同一颗恒星的方法测量视差角，并计算恒星的距离，这叫“周年视差法”。注意：这里的“视差角”用希腊字母表示，这个不是圆周率的那个。天文学家还定义，当周年视差角=1，所对应的该天体距离叫做“1秒差距”（“秒差距”是长度单位，1秒差距3.26光年3.081013千米）。三角函数：距离r=a（天文单位）/sin。但是，值太小了，可以用弧度代替正弦，= sin，于是r=a/，但是这样计算出的r值单位是弧度，1弧度=206265，因此：r=206265（a/）。二、恒星的亮度、星等与光度在现在天文学中使用了“望远镜加光电探测器”系统来探测星的亮度大小：光度大，电流也大，从电流表的指针与刻度上可以读出星的亮度来。这与人眼的工作原理是相同的。在历史上，由于恒星的亮度各不相同，古代的天文学家们们根据星亮度划分了星“等级”，产生了恒星“星等”的概念。所有后来给恒星划分星等的工作都沿袭了伊巴谷和托勒密最初使用的方法“恒星的星等值越大，星就越暗，而比1等星更亮的太阳、行星、月亮等的星等值就只能用0和负值来表示了。到了19世纪，天文学家们发现，从1等星到点等星之间，亮度相差了大约100倍。因为1到6之间有5个间隔，而=2.512，所以，任意2颗星等相差1个等级的恒星，星等值大的要比星等值小的暗2.512倍。今天，通过放在地面的现代大型光学望远镜，可以观测到25等以上的暗星；而哈勃太空望远镜因为是在地球大气层之外进行观测，它的可观测极限星等超过了28等。恒星的亮度与星等的数学关系可以表示为：m=-2.5lgE(m：视星等 E：视亮度)即E=，0等星的亮度为亮度单位l当m=0时，E=1；m=1,E=0.398以上讲的是恒星的“视亮度”“视星等”，还不是“真亮度”和“绝对星等”。在考虑了距离因素以后，天文学家又制定了“绝对星等”系统，这个系统把所有的恒星都放在一个“标准距离”上考虑，这一距离是10秒差距或32.6光年（10秒差距=32.6光年）按照这个规定，可以用下列公式计算恒星的绝对星等，也可以利用公式计算距离。M= m+5-5lgr（M：绝对星等 m：视星等 r：距离 用秒差距表示）三、恒星的温度和颜色我们在夜空中可以看到无数的繁星，如果没有没有灯光、月光和浮红的干扰，仔细观察那些比较亮的星星就会发现：恒星有不同的颜色，有的红、有的黄、有的蓝。这是由于它们的温度和光谱型的不同。光的本质是电磁波。如果以波长从长到短的顺序排列，电磁波中包括了无线电波、远红外线、红外线、可见光、紫外线、远紫外线、X射线、射线等。它们之间最重要区别在于波长的不同，由此又造成了它们各自性质的大小不同。在可见光中，红光波长最长，紫光波长最短。波长较短的光有较高的频率，因为光子能量与频率成正比，所以其光子能量也较高。按照物理学中的“维恩位移定律”，假定发光体属于“黑体”，该发光体的温度越高，其光强最大值处所在的波长就越短（频率越高）。所谓“黑体”，是指不会反射任何波长的光，而只发射连续波长的光的理想物体。一般地，恒星都被近似地视为黑体，因此，恒星所呈现出的不同颜色，代表了它们表面所处的不同温度。我们的太阳就属于黄色的恒星。用目视的方法来观察恒星的颜色，存在一个很大的问题，就是不同的人观察时会有不可避免的主观随意性，结果也会不相同。照相术发明之后，很快被用于天文观察。但照相底片对不同波长光的灵敏度与人眼有很大的不同，而且它不能直接分辨出光的颜色。四、恒星的大小与质量1、恒星的大小计算恒星光度的公式：L=4R2T4其中L是恒星的光度，是圆周率，R是恒星的半径，T是恒星表面表面温度，是波尔兹曼常数，=5.6703210-8J/（m2.K4.s）。从这个公式可以看出：恒星的光度与半径的平方和温度的4次方成正比，知道了光度和温度可以计算恒星的半径。2、恒星的质量恒星质量的测定主要的方法有两种：研究双星系统或间接由恒星的质量与光度关系求得。（1）由双星系统求得目视双星天文双星分光双星交食双星（2）间接由恒星的质量与光度求得3、恒星的密度若已测得恒星的质量与半径大小，则可由质量除以体积得到密度。五、恒星的光谱 通过恒星的颜色可以确定恒星表面的温度。然而，星光所携带的信息，不仅限于恒星表面的温度。牛顿得出结论：白光是由各种颜色的单色光混合而成的，是“复合光”，他把这些按顺序排列的单色光称为“光谱”，这实际上开创了物理光学的一个崭新时代。根据“哈佛分类法”，当时有240000颗恒星被分为7个大类，依温度从高到低分别称为O、B、A、F、G、K、M型恒星。另外还有R、N和S三个子型，它们是分别从G型和K型中细分出来的。O型星：淡蓝白色，约30000K；B型星：蓝白色，约11000K25000K；A型星：蓝白色，约7500K11000K；F型星：白色，约6000K7500K；G型星：橙黄色，约3500K5000K；M型星：红色，约3500K；恒星谱线的宽度一般可以作为确定恒星大气压力大小依据之一。科学家把7个基本光谱中的每一个按光谱宽度分为7个子型，用罗马字母表示。它们依次是，-超巨星，-亮巨星，-正常巨星，-亚巨星，-主序星和矮星，-亚矮星，-白矮星。六、恒星的运动现代现代天文学已经知道，恒星都处于不停的运动之中，只是由于距离距离的遥远，住在地球上的人类非常不容易观察到它们的运动。我们观察看到十万年前、现在、十万年后的北斗七星的变化，说明恒星是运动着的。经过一代代代学家们的辛勤工作，现在已经观测到近30万颗恒星的自行。由于恒星自行的存在，在漫长的历史岁月中，恒星的相对位置要发生变化。太阳朝着向点运动的速度是每秒19.7千米，每年前进的距离约6亿千米。恒星运动速度的计算：Vr2+Vp2=V2（切向速度Vp，视向速度Vr ，真实速度V）七、恒星内部与能源1、恒星内部19世纪中叶，天体公光术的照相术的发明为天文学家解开恒星内部世界之谜提供了强有力的技术支持。天文学家将天文望远镜收集到的星光经过分光镜分解成光谱，再把这些光谱拍摄下来。在这些光谱中有众多的谱线，它们都由不同的元素产生，根据它们我们可以了解到恒星表面大气层的温度、压力、密度、化学元素的丰度、质量、体积、自转运动、距离和空间运动等一系列物理化学性质。2、恒星的能源像太阳那样，恒星在其一生的大部分时间，辐射的能源是由其中心区热核反应提供的。很多恒星最重要的热核反应是氢核聚变为氦核（我们形像地叫做“氢燃烧”，但它与化学上的氢燃烧有本质的不同）。氢燃烧有两种反应：质子-质子反应的产能率大体上正比于温度的4次方；而碳氮循环的产能率正比于温度的18次方。中心温度高于1.6107K的恒星,碳氮循环占优势；中心温度较低的恒星，以质子-质子反应为主。当温度低于7107K时，这两种反应都不能进行。在恒星演化的最后阶段，发生其他的热核反应。第二节 恒星的形成与演化一、从赫罗图看恒星的演化1911年丹麦天文学家赫茨普龙、1913年美国天文学家罗素都各自独立绘出了亮星的光度-温度图，发现大多数恒星分布在图中左上方至右下方的一条狭长带内，从高温到低温的恒星形成一个明显的序列，称为“主星序”，人们称这种图为“赫罗图”，简称“HR”图。“HR”图显示出了恒星的光度和表面温度随时间变化的情形，横坐标是恒星的光谱，按照O、B、A、F、G、K、M顺序排列，是恒星的温度系列；纵坐标是绝对星等，即恒星光度。大多数恒星集中在主星序，少数集中在右边中部组成的巨星序列；一些光度大、温度低的超巨星分布在图的右上方；那些温度高但光度弱的白矮星集中在左正方一个较密集的区域。二、产生恒星的温床星云自从100多亿年前，银河系诞生以来到现在，恒星一直在形成着。恒星的前身就是宇宙间那一片片星云。星云里四分之三质量的物质是氢，其余是氦以及极少数比氦更重的元素。这些星云受到恒星星光的压力，或是穿过银河系旋臂密度激波区，或是附近超新星爆发的激荡，或是星云之间的碰撞-总之，只要一点点“风吹草动”，它就只能产生收缩运动。星云会向内收缩并分裂成较小的团块，经过多次的分裂和收缩，逐渐在团块中心形成了致密的核。再继续收缩下去，一颗恒星就要诞生了。三、恒星的幼年原恒星“原恒星”泛指从星际云碎裂的独立收缩云团到内部发生热核反应之间各种过渡阶段的前恒星天体，也称为“年轻的恒星体”。星云的的温度约为10K100K，形状逐渐趋向球体，此时它们似云非云，似星非星，由于连续不断地收缩，温度逐渐升高，当达到几百开时，就发出了红外辐射，成为一个可观测的“红外源”，这个阶段历时105年106年四恒星的中年主序星核区的温度升高到核聚变反应，可以持续平稳地进行时，一颗新恒星就诞生了。恒星以内部氢核聚变为这一阶段停留的时间占整个寿命的90%。恒星的主要成分是氢，恒星一生的大部分时间处于氢燃烧维持稳定平衡状态主序阶段，其辐射功率与内部产能率保持平衡。它像可控核电厂那样，通过自身调整来达到平衡。主序星尽管光辉灿烂，但是终归有完结的一天，因为它是“坐吃山空”的，迟早有一天它会处于“能量危机”状态，这样就进入了“风烛残年”的老年期。五、恒星的老年红巨星随着氢的消耗，产能减少，氦在中心区积累，辐射力小于收缩力，外层的重力使氦中心区收缩，温度升高，当温度升至1.2108K时，氦聚变成碳和氧。邻近中心区的氢层点燃，氢燃烧向外蔓延，恒星的外层膨胀，进入后主序阶段。中等质量的恒星演化为红巨星，大质量恒星演化为超巨星。六、恒星的归宿白矮星、中子星和黑洞1、白矮星。白矮星是在红巨星的中心形成的。白矮星由于没有热核反应来提供能量，在发出光热的同时，也以同样的速度冷却着。成为暗弱的红矮星，再经过一百亿年的漫长岁月，它逐渐停止辐射而死去。它的躯体变成一个比钻石还硬的巨大晶体黑矮星，直到有那么一天，来了一个个大黑洞把它吞噬，或者坚持到宇宙的末日。2、中子星。对于质量超过1.4M的恒星，其结局将是另一种命运。一旦核能耗尽，恒星将会因抗衡不住引力而收缩下去，直到一种新的、更强大的向外的力来抗衡引力以达到新的平衡。过了主序星阶段之后，恒星中心部分的氢能耗尽，中心部分以外的区域由于温度的增高又开始发生氢核聚变反应，并且核反应迅速向外层转移，推动外层膨胀，使得恒星体积很快增大上千倍以上。这样，就变成又大又红的红巨星。红巨星中心的温度很高，氦开始发生聚变为碳的核反应。恒星进入了老年期。超新星爆发之后，恒星形成了周围急剧扩张的星云，中心形成了一颗裸露出来的中子星。3、黑洞。对于质量超过8M的恒星爆发后，中心星体达到密度极高的时候，“黑洞”就产生了。所谓“黑洞”，就是这样一种物质与时空：它的表面引力场是如此之强，连光也不能逃脱出来。总结恒星一生的历史，我们可以画出它的演变过程，这就是恒星从生到死的发展过程。我们今天能在这美好的地球上享受幸福的生活，还是来源于超新星的爆发。第三节 变 星凡是在较短的时期内（几年或更短），其亮度能用观测仪器观察到变化的那些恒星都称为变星。一、变星的分类按照亮度和光谱的变化，变星大体上可分为几何变星和物理变星。几何变星是由于星体之间互相遮挡而发生的亮度变化，而不是真的变星。真的变星（物理变星）包括脉动变星和爆发变星。因恒星本身的体积做周期性膨胀和收缩而引起亮度变化的恒星属脉动变星；亮度突然激烈增强的变星为爆发变星。二、脉动变星脉动变星在周期性的膨胀与收缩，温度和总辐射能量都在发生变化，因而它的亮度也周期性的变亮与变暗。造父变星是最重要的一类变星，它是高光度周期性的脉动变星。三、激变变星激变变