第3讲 现代天文学

1、现代天文学现代天文学 课件制作:白思胜 授课人：白思胜 2、 3、 4、 v20世纪初以来，特别是世纪初以来，特别是20世纪中叶以来，天文学有世纪中叶以来，天文学有 了突破性的进展。由于现代物理学的发展和各种观了突破性的进展。由于现代物理学的发展和各种观 测仪器的出现，导致了一系列天文观测的新发现和测仪器的出现，导致了一系列天文观测的新发现和 各种新的分支学科的诞生。关于宇宙起源与演化的各种新的分支学科的诞生。关于宇宙起源与演化的 讨论也进入了新的时期，提出了许多引起人们关注讨论也进入了新的时期，提出了许多引起人们关注 的科学假说。本讲就宇宙大爆炸理论、宇宙演化模的科学假说。本讲就宇宙大爆炸理

2、论、宇宙演化模 型、赫罗图、恒星的演化等方面的内容进行概述。型、赫罗图、恒星的演化等方面的内容进行概述。 v1.1大爆炸的依据大爆炸的依据 v宇宙元素的丰度宇宙元素的丰度 v1814年，德国物理学家夫琅和费用分光镜发现在太年，德国物理学家夫琅和费用分光镜发现在太 阳光的谱带（连续谱）中含有数百条暗线（谱线），阳光的谱带（连续谱）中含有数百条暗线（谱线）， 谱带中橙黄色区域的双重暗线（谱带中橙黄色区域的双重暗线（D线）的位置与金线）的位置与金 属钠的化合物受热后所产生的两条明线的位置相同。属钠的化合物受热后所产生的两条明线的位置相同。 由此开启了恒星光谱分析的研究。科学家们先后发由此开启了恒星光

3、谱分析的研究。科学家们先后发 现了三种类型的光谱：现了三种类型的光谱： v连续谱（在高压下的炽热固体、液体、或者气体发连续谱（在高压下的炽热固体、液体、或者气体发 出连续光谱）；出连续光谱）； v发射线（在低压下的炽热气体，产生分立的亮线组发射线（在低压下的炽热气体，产生分立的亮线组 成的光谱。气体不同，产生的亮线也不一样）；成的光谱。气体不同，产生的亮线也不一样）； v吸收线（通过低压的气体来观察一个发出连续光源吸收线（通过低压的气体来观察一个发出连续光源 时，可以看到连续光谱上迭加了几条暗线，暗线的时，可以看到连续光谱上迭加了几条暗线，暗线的 位置恰好是低压的炽热气体发出亮线的位置）。位置

4、恰好是低压的炽热气体发出亮线的位置）。 v通过光谱分析我们可以了解恒星的化学成分。通过光谱分析我们可以了解恒星的化学成分。 v恒星光谱一个重要特征是具有大量的吸收线，这些恒星光谱一个重要特征是具有大量的吸收线，这些 吸收线代表着恒星大气中各种不同的化学元素。每吸收线代表着恒星大气中各种不同的化学元素。每 一种元素，都有它自己的特征光谱，就像不同的人一种元素，都有它自己的特征光谱，就像不同的人 有不同的面貌一样。有不同的面貌一样。 v几乎所有恒星的表层大气中都具有大致相同的化学几乎所有恒星的表层大气中都具有大致相同的化学 成分，氢和氦两种元素占了总量的成分，氢和氦两种元素占了总量的95%以上，其

5、中以上，其中 氢占氢占75%左右。还有钾、钠、钙、镁、铁、氧化钛左右。还有钾、钠、钙、镁、铁、氧化钛 等元素和一些化合物。等元素和一些化合物。 v恒星光谱的红移恒星光谱的红移 v大家都知道这样的一个事实，声音的频率越大，音大家都知道这样的一个事实，声音的频率越大，音 调越高。比如调越高。比如C调：调：1（262）；）；2（294）；）；3 （330）；）；4（349）；）；5（392）；）；6（440）；）；7 （494）赫兹。）赫兹。 v大家都知道这样的一个事实，一列火车，汽笛长鸣，大家都知道这样的一个事实，一列火车，汽笛长鸣， 加速地从我们身边呼啸而过。当火车朝我们开来时，加速地从我们身边

6、呼啸而过。当火车朝我们开来时， 汽笛声愈来愈尖，一旦擦身而过，又迅速地低沉下汽笛声愈来愈尖，一旦擦身而过，又迅速地低沉下 去。火车一停，汽笛声也随着稳定下来。这说明声去。火车一停，汽笛声也随着稳定下来。这说明声 源和观测者只要有相对的运动，声波的频率就会发源和观测者只要有相对的运动，声波的频率就会发 生变化。在互相接近的情况下，频率变高；互相分生变化。在互相接近的情况下，频率变高；互相分 离时，频率变低，这种现象叫多普勒效应。离时，频率变低，这种现象叫多普勒效应。 v多普勒效应是一切种类波所共有的现象，也适用于光多普勒效应是一切种类波所共有的现象，也适用于光 波和电磁波波和电磁波。测定光的多普

7、勒效应的最好办法，是观。测定光的多普勒效应的最好办法，是观 测它的谱线的变化。测它的谱线的变化。大多数恒星的光谱里，在紫外光大多数恒星的光谱里，在紫外光 部分都有两条暗线，这是被钙气吸收所致。部分都有两条暗线，这是被钙气吸收所致。令人诧异令人诧异 的是，遥远星系光谱里的这两条暗线同实验室的比较，的是，遥远星系光谱里的这两条暗线同实验室的比较， 却不是处在它们应处的位置上，而是稍稍移向低频端却不是处在它们应处的位置上，而是稍稍移向低频端 (即红端即红端)。这种现象称为。这种现象称为“红移红移”。星系距离愈远，。星系距离愈远， 谱线谱线“红移红移”愈显著，甚至使这两条应处于紫外光部愈显著，甚至使这

8、两条应处于紫外光部 分的暗线，移到了红光一端。这种某频率谱线的位移分的暗线，移到了红光一端。这种某频率谱线的位移 现象，说明该天体远离观察者而去。现象，说明该天体远离观察者而去。 v20世纪世纪60年代，世界各地的天文观测者测量到约年代，世界各地的天文观测者测量到约28 000个星系的光谱个星系的光谱,除少数（靠近银河系的那些星系除少数（靠近银河系的那些星系) 外，全都具有支持膨胀宇宙的红移。外，全都具有支持膨胀宇宙的红移。 v宇宙背景辐射宇宙背景辐射 v20世纪天文学的另一重世纪天文学的另一重 大发现是微波背景辐射。大发现是微波背景辐射。 1964年美国贝尔电话实年美国贝尔电话实 验室的彭齐

9、亚斯和威尔逊验室的彭齐亚斯和威尔逊 用一架卫星通讯天线在用一架卫星通讯天线在 735 cm波长处探测到一波长处探测到一 种来自宇宙深处的强度与种来自宇宙深处的强度与 方向无关的背景信号，普方向无关的背景信号，普 林斯顿大学皮伯斯等认为林斯顿大学皮伯斯等认为 这就是他们寻找的宇宙背这就是他们寻找的宇宙背 景辐射。景辐射。 v维恩位移定律维恩位移定律 ： vT=2.9 10 -3 v1989年美国宇航局专门发射了宇宙背景辐射探测卫年美国宇航局专门发射了宇宙背景辐射探测卫 星，第一批测量数据表明，从星，第一批测量数据表明，从0.5mm5mm波段波段 上该辐射的谱分布与温度为（上该辐射的谱分布与温度为

10、（2.735 0.06） K理理 想黑体的谱分布完全相合，在扣除运动效应后天空想黑体的谱分布完全相合，在扣除运动效应后天空 不同方向的差别小于十万分之一。不同方向的差别小于十万分之一。 v这就证明了宇宙微波背景辐射的黑体性和普适性。这就证明了宇宙微波背景辐射的黑体性和普适性。 黑体辐射是光与物质平衡的产物，由此推断宇宙演黑体辐射是光与物质平衡的产物，由此推断宇宙演 化中存在着物质与辐射相平衡的阶段。化中存在着物质与辐射相平衡的阶段。 v微波背景辐射被作为微波背景辐射被作为“大爆炸宇宙大爆炸宇宙”的重要遗迹被的重要遗迹被 确认，它作为确认，它作为“大爆炸大爆炸”理论的最重要实验证据之理论的最重要

11、实验证据之 一而被载入天文学发展的史册。彭齐亚斯和威尔逊一而被载入天文学发展的史册。彭齐亚斯和威尔逊 两人因此获得两人因此获得1978年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 v宇宙的年龄宇宙的年龄 v如果宇宙有开端，那么它就有年龄。逆时间顺序追如果宇宙有开端，那么它就有年龄。逆时间顺序追 溯宇宙演化的历史，第一个推论是越早的宇宙密度溯宇宙演化的历史，第一个推论是越早的宇宙密度 越高，直至无穷。让我们把密度为无穷的时刻作为越高，直至无穷。让我们把密度为无穷的时刻作为 时间的零点，即定义为时间的零点，即定义为t=0，那么今天的宇宙必有，那么今天的宇宙必有 一个有限大的年龄。宇宙中一切天体的年龄都不应

12、一个有限大的年龄。宇宙中一切天体的年龄都不应 超过宇宙年龄所确定的上限。超过宇宙年龄所确定的上限。 v美国天文学家哈勃发现，宇宙星系红移的速度与红美国天文学家哈勃发现，宇宙星系红移的速度与红 移度成正比：移度成正比：V=Hr；H为哈勃常数。为哈勃常数。 v研究表明宇宙的年龄可用哈勃常数研究表明宇宙的年龄可用哈勃常数H表示，宇宙年表示，宇宙年 龄约为龄约为H的倒数（的倒数（1/H=r/v=t）。）。 由新近对室女座由新近对室女座10 颗脉冲星观测得到的哈勃常数的值为颗脉冲星观测得到的哈勃常数的值为50100 kms-1 Mpc-1，确定的宇宙年龄在，确定的宇宙年龄在120亿亿160亿亿 年之间。

13、年之间。 v利用放射性同位素含量测定年代的方法，人们测量利用放射性同位素含量测定年代的方法，人们测量 了地球上最古老的岩石，测量了阿波罗号宇航员从了地球上最古老的岩石，测量了阿波罗号宇航员从 月亮上带回来的土壤、岩石样品，测量了来自星际月亮上带回来的土壤、岩石样品，测量了来自星际 空间的陨石，发现它们的年龄均不超过空间的陨石，发现它们的年龄均不超过47亿年。恒亿年。恒 星的年龄可从它们的发光速率与能源储备来估计，星的年龄可从它们的发光速率与能源储备来估计， 由此获悉最老恒星的年龄已超过由此获悉最老恒星的年龄已超过100亿年。亿年。 利用球利用球 状星团在赫罗图上的分布测得的老年星团年龄为状星团

14、在赫罗图上的分布测得的老年星团年龄为 120亿亿180亿年。总之，用不同方法对宇宙年龄的亿年。总之，用不同方法对宇宙年龄的 估算值与标准模型绘出的很接近，上限都为估算值与标准模型绘出的很接近，上限都为1010年年 数量级。现在普遍认为，估计宇宙年龄在数量级。现在普遍认为，估计宇宙年龄在100亿亿 150亿年之间。亿年之间。 这些结果与宇宙年龄的理论值符合这些结果与宇宙年龄的理论值符合 得很好。无疑这对宇宙学理论是很大的支持。得很好。无疑这对宇宙学理论是很大的支持。 v1.2大爆炸标准模型大爆炸标准模型 v20世纪世纪70年代以来，粒子物理学家与宇宙学家提出年代以来，粒子物理学家与宇宙学家提出

15、了了“宇宙大爆炸起源模型宇宙大爆炸起源模型”，联手勾画的宇宙起源，联手勾画的宇宙起源 与演化的图景如下：与演化的图景如下： v大爆炸宇宙论认为宇宙起源于一个高温、高密度的大爆炸宇宙论认为宇宙起源于一个高温、高密度的 “原始火球原始火球”的大爆炸，爆炸之后经过降温、变稀的大爆炸，爆炸之后经过降温、变稀 和膨胀，逐步演化成今天看到的天体系统。它首先和膨胀，逐步演化成今天看到的天体系统。它首先 确定如下几条假定：第一条，在大尺度上宇宙是均确定如下几条假定：第一条，在大尺度上宇宙是均 匀的、各向同性的；第二条，宇宙早期的物质是粒匀的、各向同性的；第二条，宇宙早期的物质是粒 子的理想气体；第三条，宇宙的

16、膨胀是绝热进行的。子的理想气体；第三条，宇宙的膨胀是绝热进行的。 根据这些假定和其他有关理论。大爆炸宇宙论向人根据这些假定和其他有关理论。大爆炸宇宙论向人 们展示了自大爆炸开始至今的演化过程。们展示了自大爆炸开始至今的演化过程。 v宇宙宇宙“始始”于约于约100亿年前的大爆炸。起初不仅没亿年前的大爆炸。起初不仅没 有任何天体，也没有粒子和辐射，只有一种单纯的有任何天体，也没有粒子和辐射，只有一种单纯的 真空状态以指数函数形式急剧膨胀着。自然界中已真空状态以指数函数形式急剧膨胀着。自然界中已 知的四种相互作用，即万有引力相互作用、强相互知的四种相互作用，即万有引力相互作用、强相互 作用、电磁相互

17、作用和弱相互作用那时是不可分的。作用、电磁相互作用和弱相互作用那时是不可分的。 这四种力的来源是不一样的。这四种力的来源是不一样的。引力源于物体质量的引力源于物体质量的 相互吸引，两个有质量的物体间就存在引力。物体相互吸引，两个有质量的物体间就存在引力。物体 的质量越大，引力就越大。电磁力是由粒子的电荷的质量越大，引力就越大。电磁力是由粒子的电荷 产生的，一个粒子可以带正电荷，或者带负电荷，产生的，一个粒子可以带正电荷，或者带负电荷， 同性电荷相斥异性电荷相吸。如果一个粒子不带电同性电荷相斥异性电荷相吸。如果一个粒子不带电 荷，则不受电磁力的影响，不会感受到排斥力和吸荷，则不受电磁力的影响，不

18、会感受到排斥力和吸 引力。强力主要是把夸克结合在一起的力。所以也引力。强力主要是把夸克结合在一起的力。所以也 叫核力。像电磁力一样也起源于电荷，不过只是夸叫核力。像电磁力一样也起源于电荷，不过只是夸 克间的电荷，物理学家称之为克间的电荷，物理学家称之为“颜色电荷颜色电荷”。弱力。弱力 的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应，的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应， 像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的。 从宇宙大爆炸到人类诞生从宇宙大爆炸到人类诞生 v四种作用力的分化四种作用力的分化 v随着宇宙的膨胀和降温，真空发生一系列相变（可随着宇宙

19、的膨胀和降温，真空发生一系列相变（可 由水变为冰这种相变去理解真空相变）。由水变为冰这种相变去理解真空相变）。 v大爆炸后大爆炸后10-44s，温度为，温度为1032K，发生超统一相变，发生超统一相变， 引力相互作用首先分化出来引力相互作用首先分化出来，但弱、电磁、强三种，但弱、电磁、强三种 相互作用仍不可分。此时相互作用仍不可分。此时最基本的粒子产生最基本的粒子产生。夸克。夸克 和轻子可以互相转变。和轻子可以互相转变。 v10-36s，温度为，温度为1028K，大统一相变发生，大统一相变发生，强相互强相互 作用与弱、电磁相互作用分离作用与弱、电磁相互作用分离。此时有。此时有强子生成强子生成。

20、 v10-10 s，温度为，温度为1015K，弱电相变发生，弱相互作，弱电相变发生，弱相互作 用与电磁相互作用分离。此后，用与电磁相互作用分离。此后，物质与反物质间的物质与反物质间的 不对称（即质子、电子等物质多于反质子、正电子不对称（即质子、电子等物质多于反质子、正电子 等反物质）的现象开始出现等反物质）的现象开始出现。 v经过这几种相变完成了四种相互作用逐一分化的历经过这几种相变完成了四种相互作用逐一分化的历 史。史。 v从微观粒子到星系从微观粒子到星系 v1s，温度降至，温度降至1010 K，中子进入冻结阶段中子进入冻结阶段。冻结。冻结 的中子有两种途径，一部分与质子结合，成氦核；的中子

21、有两种途径，一部分与质子结合，成氦核； 另一部分自由衰变成质子：另一部分自由衰变成质子：中子中子质子质子+电子电子+反电反电 子中微子子中微子。 v3min，温度为，温度为109K，为，为原子核合成阶段原子核合成阶段。这时中。这时中 子：质子子：质子=1：7。首先形成氘核，然后再形成氦核。首先形成氘核，然后再形成氦核。 氦和氢核的质量比是氦和氢核的质量比是1：3。1小时后，反应结束，形小时后，反应结束，形 成了成了75%的氢和的氢和25%的氦。的氦。 v7105 a，宇宙温度降为，宇宙温度降为3000 K，为，为原子合成阶原子合成阶 段段。此时原子核与电子结合成为原子。此时原子核与电子结合成为

22、原子。 v108 a，辐射温度为，辐射温度为100 K，星系形成星系形成。 v109a，辐射温度，辐射温度12 K，出现类星体出现类星体至目前，至目前， 宇宙年龄为宇宙年龄为1010a，辐射温度降为，辐射温度降为2.7 K，星际物质温，星际物质温 度为度为10-5K，我们观测到的宇宙已大到，我们观测到的宇宙已大到1010 l.y.，现，现 在宇宙仍在继续膨胀着。在宇宙仍在继续膨胀着。 宇 宙 时 物 质 形 态 宇 宙 时 物 质 形 态 0 秒原始火球大爆炸15.2 109年原始星际云形成 10-43 秒时空量子化15.4 109年行星(地球)形成 10-3510-30秒宇宙暴胀产生夸克,轻

23、 子 16.1 109年最老地球岩石形成 10-6秒质子-反质子对湮灭18 109年富氧大气圈形成 1秒电子-正电子对湮灭19 109年生命起源 13分氦合成19.55 109年 初期的鱼类 12109年星系形成19.6 109年初期的陆地植物 4.1 109年第一代恒星形成19.95 109年 哺乳动物 5 109年类星体诞生,星族恒 星 20 109年人类起源 10 109年星族恒星形成 v1922年，俄国科学家弗里德曼等人，对爱因斯坦的年，俄国科学家弗里德曼等人，对爱因斯坦的 宇宙模型进行了动态分析，提出了三种可能的宇宙宇宙模型进行了动态分析，提出了三种可能的宇宙 模型。认为宇宙的演化取

24、取决于物质的平均密度模型。认为宇宙的演化取取决于物质的平均密度0 与临界密度与临界密度c的比值。的比值。 v开放模型：若开放模型：若0c ，宇宙膨胀，而且将一直膨，宇宙膨胀，而且将一直膨 胀下去。胀下去。 v封闭模型：若封闭模型：若0c ，宇宙膨胀到一定程度，将，宇宙膨胀到一定程度，将 会转而收缩。再膨胀，再收缩。会转而收缩。再膨胀，再收缩。 v平坦模型：若平坦模型：若0 =c ，为有界无边的宇宙，为前，为有界无边的宇宙，为前 面两种模型的过渡状态。面两种模型的过渡状态。 v计算出的临界密度为计算出的临界密度为 c=10-29g/cm3。目前观测。目前观测 到的到的0 =10-30g/cm3。

25、可。可 观测到的物质占约观测到的物质占约10%， 暗物质占约暗物质占约90%。如果是。如果是 这样，宇宙就属于平坦模这样，宇宙就属于平坦模 型。若考虑中微子有质量，型。若考虑中微子有质量， 且为且为10电子伏，那么宇宙电子伏，那么宇宙 的质量将大大增加，物质的质量将大大增加，物质 的平均密度的平均密度0可能超过临可能超过临 界密度界密度c ，宇宙可能为封，宇宙可能为封 闭宇宙模型。闭宇宙模型。 v3.1天文学里的距离单位天文学里的距离单位 v天文单位：规定地球到天文单位：规定地球到 太阳的平均距离为一个天太阳的平均距离为一个天 文单位，用文单位，用1AU表示。表示。 1AU=1.496108

26、km. v光年：定义光在真空中光年：定义光在真空中 行走一年的距离为一光年行走一年的距离为一光年 用用1 l.y.表示。表示。 v1 l.y.=9.46051012km. v秒差距：指的是从某天体看太阳系时正交于秒差距：指的是从某天体看太阳系时正交于 视线上视线上1AU所张的角度为所张的角度为1(角秒）时的距离（图角秒）时的距离（图 2）。）。 1pc=2.06105AU=3.26 l.y. v3.2亮度和光度亮度和光度 v恒星的亮度恒星的亮度 v恒星的亮度是指地球上受光强度，即恒星的明暗程恒星的亮度是指地球上受光强度，即恒星的明暗程 度。表示天体亮度的等级叫做视星等。当人们用眼度。表示天体亮

27、度的等级叫做视星等。当人们用眼 睛直接观察恒星时，会看到恒星有的亮些，有的暗睛直接观察恒星时，会看到恒星有的亮些，有的暗 些。古代的天文学家们很早就开始了根据恒星亮度些。古代的天文学家们很早就开始了根据恒星亮度 划分恒星等级的工作，这就产生了恒星的星等概念。划分恒星等级的工作，这就产生了恒星的星等概念。 天文学家把天上的恒星分成天文学家把天上的恒星分成6等，以肉眼看来最亮等，以肉眼看来最亮 的星为的星为1等星，肉眼勉强可见的暗星为等星，肉眼勉强可见的暗星为6等星。这样等星。这样 一来，恒星的星等值越高，星就越暗，而比一来，恒星的星等值越高，星就越暗，而比1等星等星 更亮的太阳。月亮、行星等的星

28、等值只能以负值来更亮的太阳。月亮、行星等的星等值只能以负值来 表示了。表示了。 v19世纪时，天文学家们发现，从世纪时，天文学家们发现，从1等星到等星到6等星之间，等星之间， 亮度相差大约亮度相差大约100倍。倍。16之间有之间有5个间隔个间隔. v =2.512。所以，任意两个星等相差。所以，任意两个星等相差1等的恒星，等的恒星， 星等值高的要比星等值低的暗星等值高的要比星等值低的暗2.512倍。而天狼星倍。而天狼星 由于比肉眼可见最暗的恒星亮由于比肉眼可见最暗的恒星亮100多倍，因此它的多倍，因此它的 星等就被重新确定为星等就被重新确定为-1.4等，而不是原先的等，而不是原先的1等。今等。

29、今 天天,我们观测到的暗星远远超过了我们观测到的暗星远远超过了6等等,通过现代大型通过现代大型 光学望远镜光学望远镜,可观测到可观测到25等以上的暗星等以上的暗星,而哈勃太空而哈勃太空 望远镜可观测的极限星等超过了望远镜可观测的极限星等超过了28等。前面说到的等。前面说到的 星等是与在地球上看到的恒星亮度有关的星等，我星等是与在地球上看到的恒星亮度有关的星等，我 们称之为视星等或相对星等。们称之为视星等或相对星等。 v恒星的光度：恒星的光度： v恒星的光度表示恒星本身的发光强度。表示天体光度恒星的光度表示恒星本身的发光强度。表示天体光度 等级的叫绝对星等。恒星的亮度遵从光的反平方定律，等级的叫

30、绝对星等。恒星的亮度遵从光的反平方定律， 即接收到的光强度与光源到观察者距离的平方成反比即接收到的光强度与光源到观察者距离的平方成反比 （图（图4）。例如，若有两颗亮度本来相同的恒星，一）。例如，若有两颗亮度本来相同的恒星，一 颗离我们远些，一颗离我们近些，那么我们用肉眼来颗离我们远些，一颗离我们近些，那么我们用肉眼来 看它们的亮度时，将会看到一颗暗些，一颗亮些。在看它们的亮度时，将会看到一颗暗些，一颗亮些。在 考虑了距离因素以后，天文学家制定了绝对星等系统。考虑了距离因素以后，天文学家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，这个系统把所有的恒星都放在一个标准距离上

31、考虑， 这一距离是这一距离是10秒差距（秒差距（1秒差距秒差距=3.26光年）。用光年）。用M， m和和 r分别代表绝对星等、视星等和地球到所考察恒分别代表绝对星等、视星等和地球到所考察恒 星的距离，它们之间有以下关系：星的距离，它们之间有以下关系： 2.512m/2.512M=r2/102 ; (m-M)lg2.512=2lgr-2 v102/5=2.512 2/5=lg2.512 ;Mm55 lg r. vr以秒差距为单位。在以秒差距为单位。在M，m，r这三个量中，只要这三个量中，只要 知道其中任意两个，就可以通过公式求得第三个。知道其中任意两个，就可以通过公式求得第三个。 这个公式非常有

32、用，许多恒星的绝对星等这个公式非常有用，许多恒星的绝对星等M或距离或距离r 就是用它计算得出的。就是用它计算得出的。 v有了绝对星等之后，就可以比较不同恒星的真实亮有了绝对星等之后，就可以比较不同恒星的真实亮 度，即光度了。比如，天狼星的绝对星等是度，即光度了。比如，天狼星的绝对星等是+1.4， 太阳的绝对星等是太阳的绝对星等是+ 4.8，则天狼星要比太阳亮，则天狼星要比太阳亮 20 多倍。多倍。 v3.3恒星的颜色恒星的颜色 v恒星一般呈现出某种颜色，如红色、黄色、白色、恒星一般呈现出某种颜色，如红色、黄色、白色、 蓝色等。蓝色等。 在可见光中，红光波长最在可见光中，红光波长最(0.7微米）

33、，蓝微米），蓝 光波长最短（光波长最短（0.4微米）。微米）。 v根据公式：根据公式：= c. 式中，式中，为光的波长，为光的波长，为光的为光的 频率，频率，c为光速。光速为光速。光速c是一个不变值，所以波长较是一个不变值，所以波长较 短的光有较高的频率，其光子能量也较高。短的光有较高的频率，其光子能量也较高。 v按照维恩位移定律按照维恩位移定律 ：T=2.9 10 -3 . 公式中公式中的的 单位是米，温度单位是米，温度T的单位是的单位是K。若发光体是黑体（黑。若发光体是黑体（黑 体是指不会反射任何波长的光，而只发射连续波长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），该发

34、光体的温度越高，其光强的光的理想物体），该发光体的温度越高，其光强 最大值处的波长越短。最大值处的波长越短。 v如：蓝色的星温度较高，约为如：蓝色的星温度较高，约为10000K。红色的星。红色的星 温度较低，约为温度较低，约为3000K。黄色的星温度居中，约为。黄色的星温度居中，约为 6000K。太阳就属于黄色的恒星。为了便于深入研。太阳就属于黄色的恒星。为了便于深入研 究，天文学家根据观测到的不同恒星的不同光谱类究，天文学家根据观测到的不同恒星的不同光谱类 型对恒星进行了分类。著名的哈佛分类法就是按恒型对恒星进行了分类。著名的哈佛分类法就是按恒 星表面的温度从高到低将恒星划分为星表面的温度从

35、高到低将恒星划分为O型、型、B型、型、A 型、型、F型、型、G型、型、K型、型、M型等，当光谱型从型等，当光谱型从O型变型变 到到M型时，恒星的主要发光颜色也就由蓝色变成红型时，恒星的主要发光颜色也就由蓝色变成红 色，相应的恒星表面温度也随之由色，相应的恒星表面温度也随之由50000K下降到下降到 3000K。 v3.4赫罗图赫罗图 v把恒星的光度与温度做出比较图是很有意思的。由把恒星的光度与温度做出比较图是很有意思的。由 于恒星的光度依赖于它的温度和大小，故把它们的于恒星的光度依赖于它的温度和大小，故把它们的 光度和温度作图比较就能把恒星按体积大小区分开光度和温度作图比较就能把恒星按体积大小

36、区分开 来。如果两颗恒星的温度相等而直径不等，那么直来。如果两颗恒星的温度相等而直径不等，那么直 径小的光度就小，这是因为直径小的恒星其表面积径小的光度就小，这是因为直径小的恒星其表面积 也小的缘故，所以它的位置就在图的下方。反之，也小的缘故，所以它的位置就在图的下方。反之， 如果两颗星的光度一样但温度不同，冷星的体积必如果两颗星的光度一样但温度不同，冷星的体积必 然要大些。因此，越冷的星在图上的位置越靠右。然要大些。因此，越冷的星在图上的位置越靠右。 v这种恒星光度和光谱型关系的图，是由丹麦天文学这种恒星光度和光谱型关系的图，是由丹麦天文学 家赫茨普龙（家赫茨普龙（18731967）和美国天

37、文学家罗素）和美国天文学家罗素 （18771957）于）于1905和和1913年各自独立创制，年各自独立创制， 故名赫罗图（图故名赫罗图（图6）。）。 v该图以光谱型为横坐标，光度（绝对星等）为纵坐该图以光谱型为横坐标，光度（绝对星等）为纵坐 标，标，结果发现有结果发现有90%以上的恒星，分布在图中的左以上的恒星，分布在图中的左 上方到右下方的对角线的狭窄带区内。这区域称为上方到右下方的对角线的狭窄带区内。这区域称为 “主星序主星序”，位于其上的恒星称，位于其上的恒星称“主序星主序星”。主星。主星 序的右上角，有一个几乎成水平走向的序的右上角，有一个几乎成水平走向的“巨星系巨星系”； 主星序的

38、左下角有一个主星序的左下角有一个“矮星系矮星系”。 v研究表明，赫罗图能显示恒星各自的演化过程，能研究表明，赫罗图能显示恒星各自的演化过程，能 估计星团的年龄和距离，是研究恒星演化的重要手估计星团的年龄和距离，是研究恒星演化的重要手 段，也是天体物理学和恒星天文学的有力工具。段，也是天体物理学和恒星天文学的有力工具。 v由赫罗图我们可以推测恒星的一生。我们的太阳在由赫罗图我们可以推测恒星的一生。我们的太阳在 赫罗图上就处于主星序的中部。它是一个中等质量、赫罗图上就处于主星序的中部。它是一个中等质量、 中等温度也恰好是中年的一颗恒星。它大约在中等温度也恰好是中年的一颗恒星。它大约在50亿亿 年前

39、形成，又大约在年前形成，又大约在50亿年后可能变成巨星，其半亿年后可能变成巨星，其半 径也许会扩大到目前半径的径也许会扩大到目前半径的160倍。地球将化为一倍。地球将化为一 片焦土。片焦土。 v4.1原恒星阶段原恒星阶段 v18世纪初康德等倡言的散布于空间中的弥漫物质世纪初康德等倡言的散布于空间中的弥漫物质 （称为星云）可以在引力的作用下凝聚成太阳和恒（称为星云）可以在引力的作用下凝聚成太阳和恒 星的假说，经过历代天文学家的努力已逐渐发展成星的假说，经过历代天文学家的努力已逐渐发展成 为相当成熟的理论。尽管星际物质的密度很低，约为相当成熟的理论。尽管星际物质的密度很低，约 为为10-19 kg

40、/m3，但它们的分布很不均匀。巨大分子，但它们的分布很不均匀。巨大分子 云中密度较高的部分在自身引力的作用下会变得更云中密度较高的部分在自身引力的作用下会变得更 密。密度越大的气体间的引力也越大，从而进一步密。密度越大的气体间的引力也越大，从而进一步 增加了其密度。增加了其密度。 v当引力做功转化成热，使分子云密度增加的同时温当引力做功转化成热，使分子云密度增加的同时温 度也不断增高。当引力势能转化为热能而使中心天度也不断增高。当引力势能转化为热能而使中心天 体炽热发光。这就是原恒星阶段。体炽热发光。这就是原恒星阶段。 v4.2主序星阶段主序星阶段 v盘中物质在引力作用下不断落向原恒星，原恒星

41、在盘中物质在引力作用下不断落向原恒星，原恒星在 不断收缩过程中，不断收缩过程中，当引力能转化的热能使中心温度当引力能转化的热能使中心温度 达到达到107 K时，就足以触发恒星中心氢聚变为氦的时，就足以触发恒星中心氢聚变为氦的 热核反应，从而放出巨大的核能，此时恒星不断向热核反应，从而放出巨大的核能，此时恒星不断向 外辐射出大量能量，我们说一颗恒星诞生了。外辐射出大量能量，我们说一颗恒星诞生了。 v恒星主要是依靠内部气体粒子热运动的压力与自身恒星主要是依靠内部气体粒子热运动的压力与自身 物质之间的巨大引力相抗衡的。如果恒星的能源仅物质之间的巨大引力相抗衡的。如果恒星的能源仅 来自引力能，恒星便不

42、会维持多久。对太阳这样的来自引力能，恒星便不会维持多久。对太阳这样的 恒星，引力能仅能维持辐射恒星，引力能仅能维持辐射2000万年左右，而太阳万年左右，而太阳 至今已有至今已有50亿年了。维持恒星不断发光发热的能源，亿年了。维持恒星不断发光发热的能源， 绝大部分是恒星内部的核聚变反应提供的。绝大部分是恒星内部的核聚变反应提供的。 v质量轻的原子核经核聚变生成质量较大的核，生成质量轻的原子核经核聚变生成质量较大的核，生成 核的质量一般都小于反应前元素质量的和，这称为核的质量一般都小于反应前元素质量的和，这称为 质量亏损。按爱因斯坦质能关系，一定质量质量亏损。按爱因斯坦质能关系，一定质量m联系联系

43、 的能量的能量E是质量乘以光速的平方是质量乘以光速的平方mc2。与亏损质量。与亏损质量 相联系的能量也这样计算，它在聚变反应中以粒子相联系的能量也这样计算，它在聚变反应中以粒子 动能的形式释放出去。这是一个十分巨大的能源，动能的形式释放出去。这是一个十分巨大的能源， 例如太阳，对应例如太阳，对应1m2表面积的功率就相当于表面积的功率就相当于6.3l07 W的动力站。对太阳大小的恒星，核能能维持其辐的动力站。对太阳大小的恒星，核能能维持其辐 射约上百亿年。每四个氢聚变成一个氦（射约上百亿年。每四个氢聚变成一个氦（4H1He4） 放出放出247 MeV的能量。恒星形成后最初阶段的光和的能量。恒星形

44、成后最初阶段的光和 热就是核聚变提供的。氢弹的能源也如此。热就是核聚变提供的。氢弹的能源也如此。 v可以说恒星最初是以每秒爆炸数百万颗氢弹获得能可以说恒星最初是以每秒爆炸数百万颗氢弹获得能 量的。核燃烧使恒星内部物质产生向外的辐射压力，量的。核燃烧使恒星内部物质产生向外的辐射压力， 当辐射压力与引力达到平衡时，恒星的体积和温度当辐射压力与引力达到平衡时，恒星的体积和温度 就不再明显变化，进入一个相对稳定的演化阶段，就不再明显变化，进入一个相对稳定的演化阶段， 称为主星序阶段。称为主星序阶段。 v可以说主星序阶段是恒星的壮年期。恒星在这一阶可以说主星序阶段是恒星的壮年期。恒星在这一阶 段停留的时

45、间最长，是其生命的主要部分。包括太段停留的时间最长，是其生命的主要部分。包括太 阳在内的迄今发现的恒星阳在内的迄今发现的恒星90%处在这一阶段。一个处在这一阶段。一个 恒星这一时期的长短取决于它的质量。对于太阳质恒星这一时期的长短取决于它的质量。对于太阳质 量的恒星，产能速率约为量的恒星，产能速率约为2l0-4 J/（kgs），该时），该时 期约为期约为100亿年。质量比太阳大的恒星这一时期倒亿年。质量比太阳大的恒星这一时期倒 比太阳的短。这是因为它的核反应比太阳的激烈、比太阳的短。这是因为它的核反应比太阳的激烈、 产能率高可高达产能率高可高达0.1J/（kgs），从而发光发热），从而发光发热

46、 也快的缘故。因此对许多大质量恒星来说，核燃烧也快的缘故。因此对许多大质量恒星来说，核燃烧 的主星序阶段仅能维持几千万年。的主星序阶段仅能维持几千万年。 v4.3红巨型阶段红巨型阶段 v恒星中的核燃烧不仅发生于氢到氦的转变，还有氦恒星中的核燃烧不仅发生于氢到氦的转变，还有氦 到碳再到其他较重元素的逐级转变。但发生这些转到碳再到其他较重元素的逐级转变。但发生这些转 变的温度要求越来越高，温度要高达一亿度甚至几变的温度要求越来越高，温度要高达一亿度甚至几 十亿度。当恒星核心部分氢完全转变成氦后（对十亿度。当恒星核心部分氢完全转变成氦后（对7 个太阳质量的恒星大约用个太阳质量的恒星大约用2600万年

47、），恒星的内部万年），恒星的内部 将要发生新的变化。一方面，星核由于辐射能力下将要发生新的变化。一方面，星核由于辐射能力下 降在引力作用下将收缩，收缩过程中引力做功产生降在引力作用下将收缩，收缩过程中引力做功产生 的热将恒星核心温度再次提高，达到引发氦生成碳的热将恒星核心温度再次提高，达到引发氦生成碳 的程度，引发新一轮核反应：另一方面外面壳层的的程度，引发新一轮核反应：另一方面外面壳层的 氢也会开始燃烧。可以想象，同时有两个不同的核氢也会开始燃烧。可以想象，同时有两个不同的核 聚变发生，情况将是复杂的。聚变发生，情况将是复杂的。 v当氦燃烧完毕后，恒星核心又会类似的进行新一轮当氦燃烧完毕后，

48、恒星核心又会类似的进行新一轮 核反应。这样的过程一直会进行到合成铁时为止。核反应。这样的过程一直会进行到合成铁时为止。 v即：当温度大于一亿度时，即：当温度大于一亿度时，3He4C12； C12+He4O16+He4Ne20+He4Mg24 ； v当温度大于几十亿度时，当温度大于几十亿度时， Mg24+He4Si28+He4S32+He4Cl36+ He4Ca40- -Fe56. v这一阶段恒星核心经历几个不同的核聚变反应，恒这一阶段恒星核心经历几个不同的核聚变反应，恒 星也经历多次收缩、膨胀，其光度也发生周期性的星也经历多次收缩、膨胀，其光度也发生周期性的 变化。此阶段可称为恒星的变化。此阶

49、段可称为恒星的“更年期更年期”。红巨星、。红巨星、 红超巨星就是这一阶段后期的产物。如果太阳变成红超巨星就是这一阶段后期的产物。如果太阳变成 一颗红巨星，它可膨胀到水星、金星甚至地球轨道一颗红巨星，它可膨胀到水星、金星甚至地球轨道 那么大。造父变星被认为是处在红超巨星阶段的恒那么大。造父变星被认为是处在红超巨星阶段的恒 星。星。 v4.4恒星的结局恒星的结局 v恒星内部的热核反应的持续时间总是有限的，但是恒星内部的热核反应的持续时间总是有限的，但是 恒星自身物质之间的巨大引力却永远存在，这就出恒星自身物质之间的巨大引力却永远存在，这就出 现了恒星结局的问题。随着恒星内部热核反应的停现了恒星结局

50、的问题。随着恒星内部热核反应的停 止，尽管恒星外层部分会出现膨胀、爆发等复杂的止，尽管恒星外层部分会出现膨胀、爆发等复杂的 变动，核心部分却必定在引力作用下发生急剧的收变动，核心部分却必定在引力作用下发生急剧的收 缩，即所谓引力坍缩。这种坍缩是会被某种新形式缩，即所谓引力坍缩。这种坍缩是会被某种新形式 的压力所阻挡，还是无限制地进行下去呢？这个问的压力所阻挡，还是无限制地进行下去呢？这个问 题，尽管是题，尽管是20世纪的两大物理理论即量子力学和相世纪的两大物理理论即量子力学和相 对论携手作答，并且有了不少重要的进展，却还远对论携手作答，并且有了不少重要的进展，却还远 未彻底解决。未彻底解决。

51、v白矮星白矮星 v量子力学预言了具有极高密度的物质状态量子力学预言了具有极高密度的物质状态简并简并 态的存在。如果恒星的质量不超过态的存在。如果恒星的质量不超过1.4倍太阳质量，倍太阳质量， 则简并电子气的压力能够抵抗住引力坍缩，使星体则简并电子气的压力能够抵抗住引力坍缩，使星体 稳定下来。这就是白矮星，其密度约是水的稳定下来。这就是白矮星，其密度约是水的1万至万至 100万倍。这是恒星演化的第一种结局。其实在红万倍。这是恒星演化的第一种结局。其实在红 巨星阶段白矮星就可能在其核心中埋藏着了。第一巨星阶段白矮星就可能在其核心中埋藏着了。第一 颗被发现的白矮星是双星系统天狼星颗被发现的白矮星是双星系统天狼星A的伴星天狼的伴星天狼 星星B。随着白矮星的渐渐冷却它会越来越暗，直至。随着白矮星的渐渐冷却它会越来越暗，直至 变成有人称谓的变成有人称谓的“黑矮星黑矮星”。稳定白矮星的质量上。稳定白矮星的质量上 限为限为1.44太阳质量，称为钱德拉塞卡极限。按照