天体演化笔记8.doc

四、中质量恒星演化晚期 恒星晚年时期标志：核心区域的氢燃烧完毕，氦核心区形成。红巨星两层核聚变反应：核心HeC、O，核心外围HHe 氦核心收缩，产生的热散布到外层；外面氢壳层燃烧，再外围是恒星的一般物质。恒星外部慢慢膨胀。 核心氦聚变反应（氦燃烧）：先是剧烈的氦闪耀阶段，然后是平静的氦聚变反应。恒星体积膨胀，表面温度下降，特别明亮。 两层核聚变反应释放巨大的能量，使恒星外层急速膨胀；体积膨胀，表面积扩大,单位面积所散发的热相对减少，表面温度也随之降到摄氏三千度，在发生的电磁辐射中,以红光最强。因为它们的体积非常巨大，特别明亮。如参宿四、毕宿五、大角、心宿二等 红巨星是变星。 氢层和氦层先后燃烧，一步一步地延伸到外壳。由于这时燃烧氢和氦以产生 能源的过程并不稳定，星体会不断脉动，同时会产生强劲的恒星风把外壳吹掉 。 行星状星云 从正在死亡的中小型恒星中喷出的气体的遗迹 ，气体物质主要有H、He、C、O。 恒星在红巨星阶段时不稳定，一涨一缩地在几千年的时间里把外层物质全抖落出去，到它四周的空间去，这些物质成为行星状星云。恒星四周的物质被高温的恒星所释放出的恒星风向外推，又接着被高温的热辐射持续照射，因此仍然闪闪发亮。 白矮星 恒星外层被喷出后，剩余的核心部分继续收缩形成的天体，是中小质量恒星演化到最后的残骸。特征：体积小，它的半径接近于行星半径，平均小于1000千米。光度非常小，要比正常恒星平均暗1000倍。质量小于144个太阳质量(钱德拉塞卡极限)。密度高达1吨10吨厘米3，表面温度很高。磁场强。主要由碳和氧组成。依靠电子简并压力抵挡万有引力，维持星球的稳定。最终结局： 由于白矮星的温度比周围的高，所以不断地发出辐射，温度不断降低，颜色渐红，最终停止辐射，成为黑矮星。估计从白矮星到黑矮星需要近100亿年 密近双星系统的白矮星再度辉煌：新星五、大质量恒星演化晚期红超巨星多层核反应同时发生。H HeHe C/OC/O O/Ne/MgO/Ne/Mg Si/S Fe除了H、He外，Fe以下的所有化学元素均可能这一阶段产生， 物质损失越来越大。核心中子化 在恒星内部铁核形成之后，并没有进一步的核融合反应可以提供能量来抵挡万有引力的收缩。因此核心密度升高，在接下来的某一瞬间，电子被挤进原子核，许多电子被质子捕捉，转变成中子，同时迸发出巨大的中微子流。中子的“占据体积”要小得多，两个中子可以紧挨着，在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。超新星的爆炸 形成了许多比铁更重的元素 在恒星内部铁核形成之后，并没有进一步的核融合反应可以提供能量来抵挡万有引力的收缩。因此核心密度一再升高，整个核心就像是一个超大的原子核一样。在接下来的某一瞬间，许多电子被质子捕捉，转变成中子。在这一瞬间，核心物质的性质顿时改变，变得坚硬了些。原先在这核心外围一起向内收缩的物质一下子反弹子出来，而把更外围较低密度的物质整个向外炸了开来。这就是超新星的爆炸。 伴随这整个过程的是极大的能量释放。首先是许多微中子带走了绝大部分的能量，而后向外炸开的物质，本身也具有很大的能量，使得这整个星球外围炸开的物质温度增高，且放出大量的光。在爆炸的那一瞬间，巨大的能量也使得许多比铁更重的元素得以形成，包括许多放射性元素。超新星遗迹：爆炸向外抛出的物质，含有丰富的重元素；对星系演化起着重要的作用。中子星 超新星爆炸后裸露核心，在引力下收缩，依靠中子的简并压力抵挡万有引力而形成的一个稳定的结构。 中子星的质量3个太阳质量黑洞 更大质量恒星演化的最终归宿。 没有任何力抵挡物质向中心点的收缩，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度，巨大的引力使得一切物质、信息、光无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系。 1、黑洞 是一个致密的物体，它的引力场是如此之强，任何物体，甚至光也不能逃脱出来。 2、是物理理论的推论 英国的米歇尔，根据万有引力定律； 德国的史瓦西，根据爱因斯坦的广义相对论广义相对论的史瓦西描述： 引力场将使时空弯曲。恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，等恒星的半径小到“史瓦西半径”时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。 3、如果掉入黑洞，会发生什么现象？ 落入黑洞后，运动越来越快，双脚的引力比头部的引力大，身体被撕碎。如果掉入一个超大质量的黑洞，身体会保持完整，不久会到达奇点，在那被挤碎。 4、黑洞不会永远存在。 1974年，Stephen Hawking 利用量子引力理论证明黑洞会缓慢将能量返还到宇宙中，最后蒸发。 5、宇宙中有多少黑洞？ 应该是太多了，数不过来。 6、寻找黑洞 通过间接的测量手段确定它们的存在。 一个双星系统；发射出强大的X射线；计算质量，若大于3倍的太阳质量，可能是黑洞。例如，天鹅X1和大麦哲伦星云X3就具有这些特征。六、恒星的一生总结：恒星的一生：星云物质原恒星主序星红巨星 行星状星云星云物质 白矮星 核心质量1.4M，母星质量：8M红巨星 中子星 核心1.4M3M，母星质量：8M25M 黑洞 核心质量3M，母星质量：25M 超新星爆发星云物质 来自星尘，归于星尘 恒星从星际间的分子云，尘埃，经由万有引力的件用而聚集形成。这时依其质量大小不同出现在主序列带上不同的位置。然后经过了停留在主序列带上的主要生命期，较小质量的恒星会进入两次红巨星的阶段，在这期间内，把它大部分的质量又重新藉由恒星风，以及形成行星状星云，抛回到原来的星际空间里，又变成星际间的介质，而核心的部分则会变成白矮星，在空荡的宇宙空间里，渐渐冷却暗去。 质量较大的，在主要生命期之后，会有更剧烈的质量散失，并且经历多次的超巨星阶段，而后产生更是强烈的超新星爆炸。超新星爆炸的残骸，以及更早先的质量散失，也终究都回到星际空间去，变成用来形成另一个新恒星的星际物质。而留下的核心部分则可能变成中子星或者是黑洞。 宇宙演化宇宙学从整体角度探讨宇宙结构和演化的天文学分支学科。 宇宙论标准模型大爆炸学说。仍然有许多尚未解决的难题。天文学家提出暴胀理论(inflationary theory) ，解释/解决部份宇宙论标准模型的困难，但终极的宇宙论仍在建构之中。目前已经有关于恒星与星系的完整理论，但是我们只有一个宇宙，建构一个合理的宇宙论并不容易。一、宇宙的状况宇宙的结构 ：地球- 太阳系- 太阳的邻居- 本银河系- 本星系群- 宇宙的海棉结构。最大结构体-长城200 Mpc ，远小于己知宇宙的大小，所以只是区域结构。宇宙在膨胀；宇宙星系相互远离，相距愈远的星系，相互远离的速度愈大。二、宇宙学原理 ：均匀性原理：宇宙的物质是均匀 分布的。各向同性原理：无论向宇宙哪一方向观察，所看到的皆会差不多 。宇宙一致性原理：人类所知的物理定律，同样普遍适用于宇宙任何一个角落。三、宇宙论标准模型的建立 1、“奥尔伯斯佯谬” 现代宇宙学理论上的进展爱因斯坦： 德西特：弗里德曼： 哈勃： 勒梅特： 伽莫夫：1948年美国天文学家伽莫夫发展勒梅特思想，把宇宙的膨胀与物质的演化联系起来，提出了“大爆炸宇宙模型” 观测上的发现 什么是光谱红移与蓝移？ 多普勒频移是运动光源的光谱里明线或暗线的移动。如果光源朝向我们运动，移动就朝向可见光谱的蓝色一端，称为蓝移。反之，红移。与静止光源光谱里对应的位置作比较而得到的移动量，能给出光源朝向或背离我们运动的速度。 红移现象的发现者：斯里弗。 哈伯定律：描述星系红移与距离的关系 哈伯手中有46个星系的红移，有19个星系的距离。作出19个星系速度距离图后，哈伯断定速度与距离成正比。接着，1928年开始他与赫马森合作，又测得150个星系的红移，最高速度4万米/秒。证实了哈伯定律的有效性。 哈伯定律：Vr = H * d 其中Vr 星系的退行速度， d星系的距离， H哈伯常数。 哈勃定律意义：根据红移量，可得出遥远星系的距离；距离我们越远的星系，退行速度越快，宇宙在膨胀，而且朝着各个方向。四、大爆炸宇宙学模型。 我们的宇宙经历过一个从热到冷、由密到稀的诞生和演化的过程。在很久前的某个时刻，今天观测到的物质世界都集中在一个范围很小的区域，它的密度和温度都无限大。 后来发生了一次大爆炸，能量转换成了物质，产生了粒子。随着宇宙的膨胀，温度急剧下降，原来的以中子、质子等基本粒子形态存在的物质，结合形成重氢、氦等化学元素。 当温度降到几千度时，宇宙间主要是气态物质，它们凝聚成气云，进而形成各种恒星体系，成为目前的宇宙。理论模型的预言： 1、存在宇宙微波背景辐射： 2、模型计算出宇宙中氦、氘、锂相对于氢的丰度： 理论计算，氦的丰度应为23%，锂的丰度为百亿分之几，余下的为氢核。3、推算出我们宇宙的演化历史 。五、大爆炸宇宙模型主要观测证据：3K宇宙背景辐射的发现: 河外天体的谱线红移的进一步发现，证明红移广泛存在，说明宇宙在膨胀。 宇宙元素氦的丰度及轻元素的丰度的测定与大爆炸理论推算结果吻合。宇宙年龄的测定：100200亿年，放射性元素如铀、钍等的放射性半衰期来测定其年龄，实测的结果是70至150亿年。 六、宇宙演化历史最早的宇宙时期，称为创生期。相应的宇宙年龄约为l0-44秒。这是时空本身的形成阶段，应当用量子引力论或量子宇宙学描写这一时期的动力学。宇宙极早期。指年龄约为10-36秒的时代。主要物理过程是发生大统一相变，以致宇宙膨胀极快，称为暴涨。此外，宇宙间的不对称也开始形成。夸克、胶子等粒也是这一时期的产物。年龄=10-6 sec，温度1013开，夸克形成质子和中子，出现电子、中子、质子，光子以及中微子互相转化年龄=1.1 sec，温度100 亿开，中微子开始脱耦。进入核合成时期，质子和中子结合成氘核。100 sec，温度10亿开，氘核不再分解，接着形成4He，D，7Li等轻元素。年龄=3:45 min ，核合成过程结束。10万年，温度4000开，原子核与电子结合形成中性原子，原子的形成使得宇宙一下子透明了，光子开始脱耦，可以自由飞行。自此，辐射和物质开始各自的膨胀冷却和演化，不在发生作用。10亿年时，宇宙从相当均匀的状态演化到有各种结构的状态。各种尺度的星体及星体体系，就是在这一时期中逐渐形成的。140亿年，宇宙已冷却到约3K。 七、标准模型的难题和暴涨宇宙模型1、宇宙论标准模型的难题宇宙的组成问题：大暴炸标准模型，对暗物质的存在与本质皆未做预测。视界问题：（光在指定的时间，所能传播的距离）-宇宙背景辐射为何各向同性？为何如此均匀？ 宇宙背景辐射为宇宙变透明时，宇宙中辐射的遗迹。宇宙变透明时，宇宙边缘各点的距离，有些己超过视界，如未经沟通，宇宙如何保持热平衡？ 而宇宙论标准模型的假设是大爆炸至宇宙变透明时，宇宙一直处于热平衡状态。曲度问题：宇宙为何如此平坦？2、暴胀宇宙模型(inflaionary universe) 假设： 宇宙在10-35 秒至10-33 秒之间发生暴胀。在此期间，宇宙的直径大约由10-26 公尺暴增1050倍，至1024 公尺(30 Mpc) 。在10-33 秒时，暴胀终止，膨胀速率变得与标准模型相同。 暴胀机制：宇宙在10-35 秒时发生相变，放出巨量的潜热，造成宇宙暴胀。 暴胀之前，宇宙直径小于视界，宇宙处于热平衡。 暴胀后，我们可见的宇宙，只是宇宙真实大小的极小部份。物质所产生的空间曲度几乎和平面相同。八、宇宙的未来宇宙的演化趋势取决于宇宙物质的平均密度0 与临界密度C 的比值，1922年，苏联数学家弗里德曼在广义相对论的框架下得出，通过下面三种情况的比较，可以给出不同的宇宙发展趋向： 1 引力足以使宇宙停止膨胀，并令它重新收缩，这称为封闭宇宙，有限有界。宇宙物质：在2003年初华盛顿特区NASA的新闻发布会上，科学家公布了威尔金森微波背景辐射各向异性探测器WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）的第一批观测成果，给出了宇宙总体物质组成：发光天体包括我们太阳在内占4%，暗物质占23（引力效应表示其存在的